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多孔質金属を生成するための超音波ナノ構造化

ソノケミストリー は、ナノ材料のエンジニアリングと機能化に非常に効果的なツールです。冶金学では、超音波照射は多孔質金属の形成を促進します。ダリア・アンドレーエワ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対効果の高い超音波支援手順を開発しました。

多孔質金属は、耐食性、機械的強度、超高温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高い関心を集めています。これらの特性は、直径わずか数ナノメートルの細孔を持つナノ構造の表面に基づいています。メソポーラス材料は2〜50nmのポーズサイズを特徴とし、微孔性材料は2nm未満のポアサイズを持っています。バイロイト大学(物理化学第2部)のダリア・アンドレーエヴァ博士を含む国際研究チームは、このような金属構造の設計と製造のための頑丈で費用対効果の高い超音波手順の開発に成功しました。

このプロセスでは、金属は水溶液中で処理され、数ナノメートルの空洞が正確に定義されたギャップで発生します。これらのオーダーメイドの構造には、空気清浄、エネルギー貯蔵、医療技術など、すでに幅広い革新的なアプリケーションがあります。特に有望なのは、ナノ複合材料における多孔質金属の使用です。これらは新しいクラスの複合材料であり、非常に微細なマトリックス構造に最大20ナノメートルのサイズの粒子が充填されています。

UIP1000hdは、材料工学、ナノ構造化、粒子修飾に使用される強力な超音波デバイスです。(クリックで拡大!

Dr. D. Andreevaは、水性懸濁液中の固体粒子の超音波処理の手順を示しています。 UIP1000HDの 超音波装置(20kHz、1000W)。写真: Ch. Wißler

この新しい技術は、物理学でキャビテーションと呼ばれる超音波で生成された気泡形成のプロセスを利用しています(lat. “キャバス” = “凹”).船乗りでは、このプロセスは船舶のプロペラやタービンに大きな損害を与える可能性があるため、恐れられています。非常に高い回転速度では、水中で蒸気の泡が形成されます。非常に高い圧力で短時間すると、気泡は内側に崩壊し、金属表面を変形させます。のプロセス キャビテーション 超音波を使用して生成することもできます。超音波は、可聴範囲(20 kHz)を超える周波数の圧縮波で構成され、水や水溶液中に真空気泡を生成します。これらの気泡が破裂すると、数千°Cの温度と最大1000バールの非常に高い圧力が発生します。

超音波装置UIP1000hdは、高多孔質金属のナノ構造化に使用されています。(クリックで拡大!

音響キャビテーションが金属粒子の改質に及ぼす影響の概略図。
写真: Dr. D. Andreeva

上記の図は、音響キャビテーションが金属粒子の改質に及ぼす影響を示しています。融点(MP)が亜鉛(Zn)のように低い金属は完全に酸化されます。ニッケル(Ni)やチタン(Ti)のような高融点の金属は、超音波処理下で表面改質を示します。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。ノーベル金属は、酸化に対する安定性により、超音波照射に耐性があります。金属の融点はケルビン(K)度で指定されます。

このプロセスを正確に制御することで、金属の特定の物理的および化学的特性を考慮して、水溶液に懸濁した金属の標的ナノ構造化につながる可能性があります。金属は、そのような超音波処理にさらされると非常に異なる反応をする、博士ダリア・アンドレーエワとゴルム、ベルリン、ミンスクの同僚が示しているように。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、酸化物コーティングによって安定化されます。これにより、例えば複合材料でさらに加工できる多孔質金属が得られます。ただし、金、プラチナ、銀、パラジウムなどの貴金属は、動作が異なります。それらの低い酸化傾向のために、それらは超音波治療に抵抗し、そしてそれらの初期構造および特性を保持する。

超音波処理により、腐食から保護する高分子電解質コーティングを形成することができる。(クリックで拡大!

腐食に対するアルミニウム合金の超音波保護。© [ Skorb et al. 2011]

上の写真は、超音波がアルミニウム合金の腐食からの保護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のアルミニウム合金の写真、その下に表面の電子顕微鏡画像があり、その上に超音波処理によりポリエレクトリートコーティングが形成されています。このコーティングは、21日間腐食から保護します。右側:超音波処理にさらされ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。

異なる金属が劇的に異なる方法で超音波処理に反応するという事実は、材料科学の革新に利用することができます。合金は、安定性の低い金属の多孔質マトリックスに、より安定な材料の粒子が包まれているナノ複合材料に、このような方法で変換することができる。したがって、非常に限られたスペースで非常に大きな表面積が生じ、これらのナノ複合材料を触媒として使用することができます。特に高速かつ効率的な化学反応を引き起こします。

Daria Andreeva博士とともに、同じく物理化学II部門のAndreas Fery教授、Nicolas Pazos-Perez博士、Jana Schäferhans博士が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・インターフェース研究所、ヘルムホルツ・ツェントルム・ベルリン・フュル・マテリアル・アンド・エナジーGmbH、ベラルーシ国立大学ミンスクの同僚とともに、最新の結果をジャーナルにオンラインで発表しました “ナノスケール”.

ヒールシャーの超音波装置UIP1000hdは、メソポーラス金属の形成に成功した。(クリックで拡大!

超音波プロセッサ UIP1000HDの 金属のナノ構造化用

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参考:

  • スコーブ、エカテリーナV。;フィックス、ディミトリ;シチューキン、ドミトリーG。;Möhwald、ヘルムート;スヴィリドフ、ドミトリーV.;ムーサ、ラミ;ワンダーカ、ネリア;シェーファーハンス、ヤナ;パソス・ペレス、ニコラス;フリー、アンドレアス;Andreeva、Daria V.(2011):金属スポンジの音響化学的形成。ナノスケール – 2011年3月3日に進んでください。985-993.
  • Wißler、Christian(2011):超音波を使用した高精度ナノ構造化:多孔質金属を生成するための新しい手順。Blick in die Forschung.バイロイト大学05、2011年。

科学情報の詳細については、Dr. Daria Andreeva, Department of Physical Chemistry II Bayreuth University, 95440 Bayreuth, Germany までお問い合わせください。 – 電話番号:+49(0)921 / 55-2750
Eメール:daria.andreeva@uni-bayreuth.de



知っておく価値のある事実

超音波組織ホモジナイザーは、しばしばプローブソニケーター、ソニックライザー、超音波ディスラプター、超音波グラインダー、ソノラプター、ソニファイア、ソニックディスメンブレーター、細胞ディスプレッサー、超音波分散器またはディゾルバーと呼ばれる。異なる用語は、超音波処理によって達成することができる様々なアプリケーションから生じます。

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