多孔質金属を製造するための超音波ナノ構造化

ソノケミストリー は、ナノ材料の設計・加工と機能化に非常に有効な手段です。冶金分野では、超音波照射が多孔質金属の形成を促進します。Daria Andreeva博士の研究グループは、メソポーラス金属を製造するための、効果的で費用効率の高い超音波支援プロセスを開発しました。

多孔質金属は、耐食性、機械的強度、極めて高い温度に耐える能力などの優れた特性により、さまざまな技術分野で大きな関心を集めています。これらの特性は、直径がわずか数ナノメートルの細孔を持つナノ構造化表面に基づいています。メソポーラス材料は細孔径が2–50 nmであることを特徴とし、ミクロポーラス材料の細孔径は2nm未満です。バイロイト大学のDaria Andreeva博士（物理化学II部門）を含む国際研究チームは、このような金属構造を設計・製造するための、高負荷に対応できる費用効率の高い超音波プロセスの開発に成功しました。

このプロセスでは、精密に規定された間隙に数ナノメートルの空洞が生じるように、水溶液中で金属を処理します。このように用途に合わせて作製した構造には、空気浄化、エネルギー貯蔵、医療技術など、すでに幅広い革新的な用途があります。特に有望なのは、ナノコンポジットにおける多孔質金属の使用です。ナノコンポジットは、極めて微細なマトリックス構造に最大20ナノメートルの粒子を充填した、新しい種類の複合材料です。

この新しい技術は、超音波によって気泡を生成するプロセスを利用します。物理学では、このプロセスをキャビテーションと呼びます（ラテン語の「cavus」＝「空洞」に由来）。船舶の航行では、船のプロペラやタービンに大きな損傷を与える可能性があるため、この現象は恐れられています。これは、回転速度が非常に高くなると、水中に蒸気の気泡が形成されるためです。極めて高い圧力の下で短時間が経過すると、気泡は内側に向かって崩壊し、金属表面を変形させます。この キャビテーション のプロセスは、超音波を用いて発生させることもできます。超音波は、可聴域（20 kHz）を超える周波数の圧縮波からなり、水や水溶液中に真空気泡を生成します。これらの気泡が内側に向かって崩壊すると、摂氏数千度の温度と、最大1000 barの極めて高い圧力が生じます。

上の模式図は、金属粒子の改質に対する音響キャビテーションの作用を示しています。亜鉛（Zn）のように融点（MP）が低い金属は完全に酸化されます。一方、ニッケル（Ni）やチタン（Ti）のように融点が高い金属は、超音波処理によって表面が改質されます。アルミニウム（Al）とマグネシウム（Mg）はメソポーラス構造を形成します。貴金属は酸化に対して安定しているため、超音波照射に耐性があります。金属の融点はケルビン度（K）で示されています。

このプロセスを精密に制御することで、水溶液中に懸濁した金属を狙いどおりにナノ構造化できる可能性があります – ただし、金属が特定の物理的・化学的特性を備えていることが条件となります。Daria Andreeva博士がゴルム、ベルリン、ミンスクの同僚とともに示したように、このような超音波処理にさらされた金属は、種類によって大きく異なる反応を示すためです。亜鉛、アルミニウム、マグネシウムなどの反応性の高い金属では、マトリックス構造が徐々に形成され、酸化物被膜によって安定化されます。その結果、多孔質金属が得られ、例えば複合材料へとさらに加工することができます。しかし、金、白金、銀、パラジウムなどの貴金属は異なる挙動を示します。酸化しにくいため、超音波処理に耐え、元の構造と特性を維持します。

上の画像は、超音波をアルミニウム合金の腐食防止にも使用できることを示しています。左：腐食性の高い溶液中にあるアルミニウム合金の写真。その下は表面の電子顕微鏡画像で、超音波処理によって高分子電解質被膜が形成されています。この被膜は21日間、腐食を防ぎます。右：超音波処理を施していない同じアルミニウム合金。表面は完全に腐食しています。

金属の種類によって超音波処理への反応が著しく異なるという事実は、材料科学における革新に活用できます。合金をナノコンポジットに変換し、安定性の高い材料の粒子を、安定性の低い金属の多孔質マトリックス内に包み込むことができます。これにより、ごく限られた空間に非常に大きな表面積が生じ、これらのナノコンポジットを触媒として使用できるようになります。これらは、特に速く効率的な化学反応を引き起こします。

Daria Andreeva博士とともに、同じ物理化学II部門の研究者であるAndreas Fery教授・博士、Nicolas Pazos-Perez博士、Jana Schäferhansも研究成果に貢献しました。ゴルムのマックス・プランク・コロイド界面研究所、Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH、ミンスクのベラルーシ国立大学の同僚とともに、最新の成果を学術誌「Nanoscale」のオンライン版で発表しました。