ულტრაბგერითი ნანო-სტრუქტურა ფოროვანი ლითონების წარმოებისთვის

სონოქიმია არის ძალიან ეფექტური ინსტრუმენტი ნანო მასალების ინჟინერიისა და ფუნქციონალიზაციისთვის. მეტალურგიაში ულტრაბგერითი დასხივება ხელს უწყობს ფოროვანი ლითონების წარმოქმნას. დოქტორ დარია ანდრეევას კვლევითმა ჯგუფმა შეიმუშავა ეფექტური და ეკონომიური ულტრაბგერითი მეთოდი მეზოფორიანი ლითონების წარმოებისთვის.

ფოროვანი ლითონები იზიდავს მრავალმხრივი ტექნოლოგიური ფილიალების დიდ ინტერესს მათი გამორჩეული მახასიათებლების გამო, როგორიცაა მათი კოროზიის წინააღმდეგობა, მექანიკური სიმტკიცე და ზედმეტად მაღალი ტემპერატურის გაძლების უნარი. ეს თვისებები ეფუძნება ნანოსტრუქტურულ ზედაპირებს ფორებით, რომელთა დიამეტრი მხოლოდ რამდენიმე ნანომეტრია. მეზოფორიან მასალებს ახასიათებთ პოზის ზომები 2-დან 50 ნმ-მდე, ხოლო მიკროფოროვან მასალებს აქვთ ფორების ზომა 2 ნმ-ზე ნაკლები. საერთაშორისო კვლევითმა ჯგუფმა, რომელშიც შედის დოქტორი დარია ანდრეევა ბაიროითის უნივერსიტეტიდან (ფიზიკური ქიმიის დეპარტამენტი II) წარმატებით შეიმუშავა მძიმე და ეკონომიური ულტრაბგერითი პროცედურა ასეთი მეტალის კონსტრუქციების დიზაინისა და წარმოებისთვის.

ამ პროცესში ლითონები მუშავდება წყალხსნარში ისე, რომ რამდენიმე ნანომეტრის ღრუები ვითარდება ზუსტად განსაზღვრულ უფსკვრებში. ამ მორგებული სტრუქტურებისთვის უკვე არსებობს ინოვაციური აპლიკაციების ფართო სპექტრი, მათ შორის ჰაერის გაწმენდა, ენერგიის შენახვა ან სამედიცინო ტექნოლოგიები. განსაკუთრებით პერსპექტიულია ნანოკომპოზიტებში ფოროვანი ლითონების გამოყენება. ეს არის კომპოზიციური მასალების ახალი კლასი, რომელშიც ძალიან თხელი მატრიცული სტრუქტურა ივსება 20 ნანომეტრამდე ზომის ნაწილაკებით.

ახალი ტექნიკა იყენებს ულტრაბგერით წარმოქმნილ ბუშტების წარმოქმნის პროცესს, რომელსაც ფიზიკაში კავიტაცია ეწოდება (მომდინარეობს ლათ. “კავუსი” = “ღრუ”). მეზღვაურობაში, ამ პროცესის ეშინიათ დიდი ზიანის გამო, რომელიც შეიძლება გამოიწვიოს გემების პროპელერებსა და ტურბინებს. ძალიან მაღალი ბრუნვის სიჩქარით, ორთქლის ბუშტები წარმოიქმნება წყლის ქვეშ. ხანმოკლე პერიოდის შემდეგ უკიდურესად მაღალი წნევის ქვეშ, ბუშტები იშლება შიგნით, რითაც დეფორმირდება მეტალის ზედაპირები. პროცესი კავიტაცია ასევე შეიძლება გამომუშავდეს ულტრაბგერითი გამოყენებით. ულტრაბგერითი შედგება შეკუმშვის ტალღებისგან, რომელთა სიხშირეები აღემატება ხმოვან დიაპაზონს (20 kHz) და წარმოქმნის ვაკუუმის ბუშტებს წყალში და წყალხსნარებში. რამდენიმე ათასი გრადუსი ცელსიუსის ტემპერატურა და უკიდურესად მაღალი წნევა 1000 ბარამდე წარმოიქმნება ამ ბუშტების აფეთქებისას.

ზემოთ მოცემულ სქემაში ნაჩვენებია აკუსტიკური კავიტაციის გავლენა ლითონის ნაწილაკების მოდიფიკაციაზე. ლითონები დაბალი დნობის წერტილით (MP), როგორც თუთია (Zn) მთლიანად იჟანგება; ლითონები მაღალი დნობის წერტილით, როგორიცაა ნიკელი (Ni) და ტიტანი (Ti) ავლენენ ზედაპირის მოდიფიკაციას გაჟღერების დროს. ალუმინი (Al) და მაგნიუმი (Mg) ქმნიან მეზოფორიან სტრუქტურებს. ნობელის ლითონები მდგრადია ულტრაბგერითი გამოსხივების მიმართ მათი სტაბილურობის გამო დაჟანგვის მიმართ. ლითონების დნობის წერტილები მითითებულია კელვინის გრადუსებში (K).

ამ პროცესის ზუსტმა კონტროლმა შეიძლება გამოიწვიოს წყალხსნარში შეჩერებული ლითონების მიზანმიმართული ნანოსტრუქტურიზაცია - ლითონების გარკვეული ფიზიკური და ქიმიური მახასიათებლების გათვალისწინებით. ლითონები ძალიან განსხვავებულად რეაგირებენ ასეთ ზემოქმედებაზე, როგორც ეს აჩვენა დოქტორმა დარია ანდრეევამ გოლმში, ბერლინსა და მინსკში კოლეგებთან ერთად. მაღალი რეაქტიულობის მქონე ლითონებში, როგორიცაა თუთია, ალუმინი და მაგნიუმი, თანდათან ყალიბდება მატრიცული სტრუქტურა, რომელიც სტაბილიზირებულია ოქსიდის საფარით. ეს იწვევს ფოროვან ლითონებს, რომლებიც, მაგალითად, შეიძლება შემდგომ დამუშავდეს კომპოზიციურ მასალებში. კეთილშობილური ლითონები, როგორიცაა ოქრო, პლატინა, ვერცხლი და პალადიუმი, თუმცა განსხვავებულად იქცევიან. დაბალი ჟანგვის ტენდენციის გამო, ისინი ეწინააღმდეგებიან ულტრაბგერით მკურნალობას და ინარჩუნებენ თავდაპირველ სტრუქტურასა და თვისებებს.

ზემოთ მოყვანილი სურათი გვიჩვენებს, რომ ულტრაბგერა ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას ალუმინის შენადნობების კოროზიისგან დასაცავად. მარცხნივ: ალუმინის შენადნობის ფოტო უაღრესად კოროზიულ ხსნარში, ზედაპირის ელექტრომიკროსკოპული გამოსახულების ქვემოთ, რომელზედაც - სონიკაციის გამო - ჩამოყალიბდა პოლიელექტოლიტური საფარი. ეს საფარი უზრუნველყოფს კოროზიისგან დაცვას 21 დღის განმავლობაში. მარჯვნივ: იგივე ალუმინის შენადნობი ზემოქმედების გარეშე. ზედაპირი მთლიანად დაზიანებულია.

ის ფაქტი, რომ სხვადასხვა ლითონი მკვეთრად განსხვავებულად რეაგირებს ხმოვან გამოსხივებაზე, შეიძლება გამოყენებულ იქნას მასალების მეცნიერებაში ინოვაციებისთვის. შენადნობები შეიძლება გადაკეთდეს ნანოკომპოზიტებად, რომლებშიც უფრო სტაბილური მასალის ნაწილაკები ჩასმულია ნაკლებად სტაბილური ლითონის ფოროვან მატრიცაში. ამრიგად, ძალიან დიდი ზედაპირი წარმოიქმნება ძალიან შეზღუდულ სივრცეში, რაც საშუალებას აძლევს ამ ნანოკომპოზიტებს გამოიყენონ როგორც კატალიზატორები. ისინი ახდენენ განსაკუთრებით სწრაფ და ეფექტურ ქიმიურ რეაქციებს.

დოქტორ დარია ანდრეევასთან ერთად კვლევის შედეგებში წვლილი შეიტანეს მკვლევარებმა პროფ. დოქტორ ანდრეას ფერიმ, დოქტორმა ნიკოლას პაზოს-პერესმა და იანა შაფერჰანსმა, ასევე ფიზიკური ქიმიის II განყოფილებიდან. მათ კოლეგებთან ერთად მაქს პლანკის კოლოიდების და ინტერფეისების ინსტიტუტში გოლმში, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH და ბელორუსის სახელმწიფო უნივერსიტეტში მინსკში, მათ გამოაქვეყნეს თავიანთი უახლესი შედეგები ონლაინ ჟურნალში. “ნანომასშტაბი”.