Nanostrutturazione ultrasonica per la produzione di metalli porosi

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 dottoressa Daria Andreeva ha sviluppato una procedura ultrasonica efficace ed economica per produrre metalli mesoporosi.

I metalli porosi attirano l'interesse di molteplici settori tecnologici grazie alle loro eccezionali caratteristiche quali la resistenza alla corrosione, la resistenza meccanica e la capacità di resistere a temperature eccessivamente elevate. Queste proprietà si basano su superfici nanostrutturate con pori che misurano solo pochi nanometri di diametro. I materiali mesoporosi sono caratterizzati da pose di dimensioni comprese tra 2 e 50 nm, mentre i materiali microporoso hanno una dimensione dei pori inferiore a 2 nm. Un team di ricerca internazionale, tra cui la dott.ssa Daria Andreeva dell'Università di Bayreuth (Dipartimento di Chimica Fisica II) ha sviluppato con successo una procedura ad ultrasuoni per la progettazione e la produzione di tali strutture metalliche.

In questo processo, i metalli sono trattati in soluzione acquosa in modo tale che cavità di pochi nanometri si evolvono, in lacune precisamente definite. 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'uso di metalli porosi nei nanocompositi. Si tratta di una nuova classe di materiali compositi, in cui una struttura a matrice molto fine è riempita con particelle di dimensioni fino a 20 nanometri.

L'UIP1000hd è un potente dispositivo a ultrasuoni, utilizzato per l'ingegneria dei materiali, la nano strutturazione e la modifica delle particelle. (Clicca per ingrandire!)

Il Dr. D. Andreeva dimostra la procedura di sonicazione di particelle solide in sospensione acquosa utilizzando il parametro UIP1000hd ultrasuoni (20 kHz, 1000W). Immagine di Ch. Wißler

La nuova tecnica utilizza un processo di formazione di bolle generate ad ultrasuoni, che in fisica viene definita cavitazione (derivata da lat. “cavità” = “incavato”). Nella navigazione marittima, questo processo è temuto a causa dei gravi danni che può causare alle eliche e alle turbine. Per velocità di rotazione molto elevate si formano bolle di vapore sotto l'acqua. Dopo un breve periodo di pressione estremamente elevata, le bolle crollano verso l'interno, deformando così le superfici metalliche. Il processo di cavitazione può essere generata anche con gli ultrasuoni. Gli ultrasuoni sono costituiti da onde compressive con frequenze al di sopra della gamma udibile (20 kHz) e generano bolle di vuoto in acqua e soluzioni acquose. Quando queste bolle implodono si formano temperature di diverse migliaia di gradi centigradi e pressioni estremamente elevate fino a 1000 bar.

Il dispositivo ad ultrasuoni UIP1000hd è stato utilizzato per la nanostrutturazione di metalli altamente porosi. (Clicca per ingrandire!)

Presentazione schematica degli effetti della cavitazione acustica sulla modificazione di particelle metalliche.
Immagine del Dr. D. Andreeva

Lo schema sopra riportato mostra gli effetti della cavitazione acustica sulla modifica delle particelle metalliche. I metalli con un basso punto di fusione (MP) come lo zinco (Zn) sono completamente ossidati; i metalli con un alto punto di fusione come il nichel (Ni) e il titanio (Ti) mostrano una modifica superficiale sotto sonicazione. L'alluminio (Al) e il magnesio (Mg) formano strutture mesoporose. I metalli Nobel sono resistenti agli ultrasuoni grazie alla loro stabilità contro l'ossidazione. I punti di fusione dei metalli sono specificati in gradi Kelvin (K).

Un controllo preciso di questo processo può portare ad una nanostrutturazione mirata di metalli sospesi in soluzione acquosa - date alcune caratteristiche fisiche e chimiche dei metalli. I metalli reagiscono in modo molto diverso quando sono esposti a tale sonicazione, come ha dimostrato la dottoressa Daria Andreeva insieme ai suoi colleghi di Golm, Berlino e Minsk. Nei metalli ad alta reattività come lo zinco, l'alluminio e il magnesio, si forma gradualmente una struttura a matrice, stabilizzata da un rivestimento di ossido. In questo modo si ottengono metalli porosi che possono ad esempio essere ulteriormente lavorati in materiali compositi. I metalli nobili come l'oro, il platino, l'argento e il palladio si comportano diversamente. A causa della loro bassa tendenza all'ossidazione, resistono al trattamento ad ultrasuoni e mantengono le loro strutture e proprietà iniziali.

Con la sonicazione si può formare un rivestimento in polielettrolita che protegge dalla corrosione. (Clicca per ingrandire!)

Protezione ad ultrasuoni delle leghe di alluminio contro la corrosione. [© Skorb et al. 2011]

L'immagine sopra mostra che gli ultrasuoni possono essere utilizzati anche per la protezione delle leghe di alluminio contro la corrosione. A sinistra: La foto di una lega di alluminio in una soluzione altamente corrosiva, sotto un'immagine microscopica della superficie, sulla quale, a causa della sonicazione, si è formato un rivestimento in polielettrolita. Questo rivestimento offre una protezione contro la corrosione per 21 giorni. A destra: La stessa lega di alluminio senza essere stata esposta a sonicazione. La superficie è completamente corrosa.

Il fatto che metalli diversi reagiscono in modo drammaticamente diverso alla sonicazione può essere sfruttato per innovazioni nella scienza dei materiali. Le leghe possono essere convertite in modo tale da formare nanocompositi in cui particelle del materiale più stabile sono racchiuse in una matrice porosa del metallo meno stabile. In questo modo, in uno spazio molto limitato, si formano superfici molto grandi che consentono di utilizzare questi nanocompositi come catalizzatori. Effettuano reazioni chimiche particolarmente rapide ed efficaci.

Insieme al Dr. Daria Andreeva, i ricercatori Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez e Jana Schäferhans, anche del dipartimento di Chimica Fisica II, hanno contribuito ai risultati della ricerca. Con i colleghi del Max Planck Institute of Colloids and Interfaces di Golm, del Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH e dell'Università statale bielorussa di Minsk, hanno pubblicato i loro ultimi risultati online sulla rivista. “Nanoscala”.

Hielscher's ultrasonicator UIP1000hd was successfully used for the formation of mesoporous metals. (Click to enlarge!)

Processore ad ultrasuoni UIP1000hd per la nanostrutturazione dei metalli

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Riferimento:

  • Skorb, Ekaterina V.; Fix, Dimitri; Shchukin, Dmitry G.; Möhwald, Helmuth; Sviridov, Dmitry V.; Mousa, Rami; Wanderka, Nelia; Schäferhans, Jana; Pazos-Perez, Nicolas; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2011): Formazione fonochimica di spugne metalliche. Nanoscala – Anticipo primi 3/3, 2011. 985-993.
  • Wißler, Christian (2011): nanostrutturazione ad alta precisione mediante ultrasuoni: nuova procedura per la produzione di metalli porosi. Blick in die Forschung. Mitteilungen der Universität Bayreuth 05, 2011.

Per ulteriori informazioni scientifiche, si prega di contattare: Dr. Daria Andreeva, Dipartimento di Chimica Fisica II Università di Bayreuth, 95440 Bayreuth, Germania. – telefono: +49 (0) 921 / 55-2750
e-mail: daria.andreeva@uni-bayreuth.de



Particolarità / Cose da sapere

Gli omogeneizzatori di tessuto ad ultrasuoni sono spesso indicati come sonda sonicator, sonic lyser, ultrasuoni disgregatore, macinatore ad ultrasuoni, sono-ruptor, sonifier, dismembratore sonico, distruttore cellulare, dispersore ad ultrasuoni o dissolutore. I diversi termini derivano dalle varie applicazioni che possono essere soddisfatte dalla sonicazione.