Nanostrutturazione a ultrasuoni per produrre metalli porosi

La sonochimica è uno strumento molto efficace per l’ingegnerizzazione e la funzionalizzazione dei nanomateriali. In metallurgia, l’irradiazione ultrasonica favorisce la formazione di metalli porosi. Il gruppo di ricerca della Dott.ssa Daria Andreeva ha sviluppato una procedura assistita da ultrasuoni efficace ed economicamente vantaggiosa per produrre metalli mesoporosi.

I metalli porosi suscitano grande interesse in molteplici settori tecnologici grazie alle loro caratteristiche eccezionali, quali la resistenza alla corrosione, la resistenza meccanica e la capacità di sopportare temperature estremamente elevate. Queste proprietà si basano sulle superfici nanostrutturate con pori di appena pochi nanometri di diametro. I materiali mesoporosi sono caratterizzati da dimensioni dei pori comprese tra 2 e 50 nm, mentre i materiali microporosi hanno pori di dimensioni inferiori a 2nm. Un gruppo di ricerca internazionale, di cui fa parte la Dott.ssa Daria Andreeva dell’Università di Bayreuth (Dipartimento di chimica fisica II), ha sviluppato con successo una procedura a ultrasuoni robusta ed economicamente vantaggiosa per la progettazione e la produzione di tali strutture metalliche.

In questo processo, i metalli vengono trattati in una soluzione acquosa in modo da sviluppare cavità di pochi nanometri, con distanze precisamente definite tra loro. Per queste strutture su misura esiste già un ampio spettro di applicazioni innovative, tra cui la depurazione dell’aria, l’accumulo di energia o la tecnologia medica. Particolarmente promettente è l’impiego dei metalli porosi nei nanocompositi. Questi costituiscono una nuova classe di materiali compositi, nei quali una struttura a matrice molto fine viene riempita con particelle di dimensioni fino a 20 nanometri.

La nuova tecnica sfrutta un processo di formazione di bolle generate dagli ultrasuoni, che in fisica viene chiamato cavitazione (dal latino “cavus” = “cavo”). Nella navigazione, questo processo è temuto per i gravi danni che può causare alle eliche delle navi e alle turbine. Infatti, a velocità di rotazione molto elevate, si formano bolle di vapore sott’acqua. Dopo un breve periodo a pressioni estremamente elevate, le bolle collassano verso l’interno, deformando così le superfici metalliche. Il processo di cavitazione può essere generato anche mediante ultrasuoni. Gli ultrasuoni sono costituiti da onde di compressione con frequenze superiori all’intervallo udibile (20 kHz) e generano bolle di vuoto nell’acqua e nelle soluzioni acquose. Quando queste bolle implodono, si sviluppano temperature di diverse migliaia di gradi centigradi e pressioni estremamente elevate, fino a 1000 bar.

Lo schema sopra mostra gli effetti della cavitazione acustica sulla modifica delle particelle metalliche. I metalli con un basso punto di fusione (MP), come lo zinco (Zn), vengono completamente ossidati; i metalli con un punto di fusione elevato, come il nichel (Ni) e il titanio (Ti), presentano modifiche superficiali durante la sonicazione. L’alluminio (Al) e il magnesio (Mg) formano strutture mesoporose. I metalli nobili sono resistenti all’irradiazione ultrasonica grazie alla loro stabilità nei confronti dell’ossidazione. I punti di fusione dei metalli sono indicati in gradi Kelvin (K).

Un controllo preciso di questo processo può portare a una nanostrutturazione mirata dei metalli sospesi in una soluzione acquosa – in presenza di determinate caratteristiche fisiche e chimiche dei metalli. Infatti, i metalli reagiscono in modi molto diversi quando vengono esposti a tale sonicazione, come ha dimostrato la Dott.ssa Daria Andreeva insieme ai suoi colleghi di Golm, Berlino e Minsk. Nei metalli con elevata reattività, come zinco, alluminio e magnesio, si forma gradualmente una struttura a matrice, stabilizzata da un rivestimento di ossido. Si ottengono così metalli porosi che possono, ad esempio, essere ulteriormente lavorati per realizzare materiali compositi. I metalli nobili, come oro, platino, argento e palladio, si comportano invece diversamente. Grazie alla loro bassa tendenza all’ossidazione, resistono al trattamento a ultrasuoni e conservano le strutture e le proprietà iniziali.

L’immagine sopra mostra che gli ultrasuoni possono essere utilizzati anche per proteggere le leghe di alluminio dalla corrosione. A sinistra: la foto di una lega di alluminio in una soluzione altamente corrosiva; sotto, un’immagine della superficie ottenuta mediante microscopia elettronica, sulla quale – grazie alla sonicazione – si è formato un rivestimento polielettrolitico. Questo rivestimento offre protezione dalla corrosione per 21 giorni. A destra: la stessa lega di alluminio senza essere stata esposta alla sonicazione. La superficie è completamente corrosa.

Il fatto che metalli diversi reagiscano alla sonicazione in modi radicalmente differenti può essere sfruttato per introdurre innovazioni nella scienza dei materiali. Le leghe possono essere convertite in questo modo in nanocompositi nei quali le particelle del materiale più stabile sono inglobate in una matrice porosa del metallo meno stabile. Si generano così superfici molto estese in uno spazio estremamente limitato, consentendo di utilizzare questi nanocompositi come catalizzatori. Essi inducono reazioni chimiche particolarmente rapide ed efficienti.

Insieme alla Dott.ssa Daria Andreeva, hanno contribuito ai risultati della ricerca il Prof. Dott. Andreas Fery, il Dott. Nicolas Pazos-Perez e Jana Schäferhans, anch’essi del Dipartimento di chimica fisica II. Con i loro colleghi del Max Planck Institute of Colloids and Interfaces di Golm, dell’Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH e dell’Università statale bielorussa di Minsk, hanno pubblicato online i loro ultimi risultati sulla rivista “Nanoscale”.