超音波ナノ構造化による多孔質金属の製造

ソノケミストリー は、ナノ材料のエンジニアリングや機能化に非常に有効なツールである。冶金学では、超音波照射は多孔質金属の形成を促進する。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コスト効率の高い超音波アシスト法を開発した。

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卓越した特性により、様々な技術分野で高い関心を集めている。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表面に基づいている。メソポーラス材料は2～50nmの孔径を特徴とし、マイクロポーラス材料は2nm以下の孔径を持つ。バイロイト大学（物理化学第二学科）のダリア・アンドレーヴァ博士を含む国際的な研究チームは、このような金属構造を設計・製造するための、高負荷でコスト効率の高い超音波法の開発に成功した。

このプロセスでは、金属を水溶液中で処理することで、正確に定義された隙間に数ナノメートルの空洞が形成される。このようなテーラーメイドの構造体には、空気清浄、エネルギー貯蔵、医療技術など、革新的な用途がすでに幅広く存在している。特に有望なのは、ナノ複合材料における多孔質金属の利用である。これは新しいタイプの複合材料で、非常に微細なマトリックス構造に、最大20ナノメートルの粒子が充填されている。

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による気泡形成のプロセスを利用している（Lat. “カブス” = “空洞”).このプロセスは、船のプロペラやタービンに大きなダメージを与えるため、航海では恐れられている。回転速度が非常に速くなると、水中で蒸気の泡が発生する。非常に高い圧力がしばらくかかると、気泡は内側に崩壊し、金属表面が変形する。このプロセスは キャビテーション は、超音波を使用して生成することもできる。超音波は可聴域（20kHz）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の気泡を発生させる。この気泡が破裂すると、摂氏数千度の温度と最大1000バールの超高圧が発生する。

上の図式は、金属粒子の改質に対する音響キャビテーションの効果を示しています。亜鉛（Zn）のような低融点（MP）の金属は完全に酸化され、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により表面改質を示す。アルミニウム（Al）やマグネシウム（Mg）はメソポーラス構造を形成する。ノーベル金属は酸化に対して安定しているため、超音波照射に対して耐性がある。金属の融点はケルビン（K）で規定されている。

このプロセスを正確に制御することで、水溶液中に懸濁させた金属のナノ構造化が可能になる。ダリア・アンドレーヴァ博士がゴルム、ベルリン、ミンスクの共同研究者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ると、金属は非常に異なった反応を示す。亜鉛、アルミニウム、マグネシウムのような反応性の高い金属では、酸化皮膜によって安定化されたマトリックス構造が徐々に形成される。その結果、多孔質金属が形成され、例えば複合材料としてさらに加工することができる。しかし、金、白金、銀、パラジウムのような貴金属は異なる挙動を示す。酸化傾向が低いため、超音波処理に抵抗し、初期の構造と特性を保持する。

上の写真は、超音波がアルミニウム合金の防錆にも使用できることを示している。左側：下は超音波処理により高分子電解質皮膜が形成された表面の電気顕微鏡写真。この皮膜は21日間腐食を防ぐ。右側：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る。

異なる金属が超音波処理に対して劇的に異なる反応を示すという事実は、材料科学の革新に利用することができる。合金はこのようにして、安定性の高い材料の粒子が安定性の低い金属の多孔質マトリックスに包まれたナノ複合材料に変換することができる。その結果、限られたスペースに非常に大きな表面積が生じ、このナノコンポジットを触媒として使用することが可能になる。この触媒は、特に高速で効率的な化学反応をもたらす。

ダリア・アンドレーエワ博士とともに、同じく物理化学II科のアンドレアス・フェリー教授、ニコラス・パゾス＝ペレス博士、ヤナ・シェーファーハンス研究員が研究成果に貢献した。ゴルムにあるマックス・プランク・コロイド・界面研究所、ベルリン・ヘルムホルツ材料・エネルギー・センター、ミンスクにあるベラルーシ国立大学の同僚たちとともに、彼らは最新の研究成果をオンライン学術誌に発表した。 “ナノスケール”.