ულტრაბგერითი ნანოსტრუქტურირება ფოროვანი ლითონების წარმოებისთვის

სონოქიმია ნანომასალების ინჟინერიისა და ფუნქციონალიზაციისთვის ძალიან ეფექტური ინსტრუმენტია. მეტალურგიაში ულტრაბგერითი გამოსხივება ხელს უწყობს ფოროვანი ლითონების წარმოქმნას. დოქტორ დარია ანდრეევას სამეცნიერო ჯგუფმა შეიმუშავა ეფექტური და ეკონომიური ულტრაბგერითი დამუშავების პროცედურა მეზოპოროვანი ლითონების წარმოებისთვის.

ფოროვანი ლითონები იწვევენ მრავალი ტექნოლოგიური დარგის დიდ ინტერესს თავიანთი შესანიშნავი მახასიათებლების გამო, როგორიცაა კოროზიის მიმართ მდგრადობა, მექანიკური სიმტკიცე და უკიდურესად მაღალი ტემპერატურებისადმი გამძლეობა. ეს თვისებები ეფუძნება ნანოსტრუქტურირებულ ზედაპირებს, რომლებსაც აქვთ მხოლოდ რამდენიმე ნანომეტრის დიამეტრის ფორები. მეზოპოროვანი მასალები ხასიათდება 2-დან 50 nm-მდე ფორების ზომებით, მაშინ როცა მიკროპოროვან მასალებს აქვთ 2nm-ზე ნაკლები ფორის ზომა. საერთაშორისო სამეცნიერო ჯგუფმა, რომელშიც შედიოდა ბაიროითის უნივერსიტეტის (ფიზიკური ქიმიის II კათედრა) დოქტორი დარია ანდრეევა, წარმატებით შეიმუშავა მაღალეფექტური და ეკონომიური ულტრაბგერითი პროცედურა ასეთი მეტალური სტრუქტურების დიზაინისა და წარმოებისთვის.

ამ პროცესში ლითონები მუშავდება წყალხსნარში ისე, რომ წარმოიქმნება რამდენიმე ნანომეტრის დიამეტრის ღრუები, ზუსტად განსაზღვრულ შუალედებში. ამ ინდივიდუალურად შექმნილი სტრუქტურებისთვის უკვე არსებობს ინოვაციური გამოყენების ფართო სპექტრი, მათ შორის ჰაერის გასუფთავება, ენერგიის შენახვა ან სამედიცინო ტექნოლოგია. განსაკუთრებით პერსპექტიულია ფოროვანი ლითონების გამოყენება ნანოკომპოზიტებში. ეს არის კომპოზიციური მასალების ახალი კლასი, სადაც ძალიან წვრილი მატრიცული სტრუქტურა შევსებულია ნაწილაკებით, რომელთა ზომა აღწევს 20 ნანომეტრს.

ახალი ტექნიკა იყენებს ულტრაბგერითი ბუშტების წარმოქმნის პროცესს, რომელსაც ფიზიკაში ეწოდება კავიტაცია (წარმოშობილია ლათ. “cavus” = “ცარიელი”). საზღვაო საქმეში ეს პროცესი შიშს იწვევს იმ დიდი ზიანის გამო, რომელიც მას შეუძლია მიაყენოს გემის პროპელერებსა და ტურბინებს. რადგან ძალიან მაღალი ბრუნვის სიჩქარეების დროს წყალქვეშ წარმოიქმნება ორთქლის ბუშტები. უკიდურესად მაღალი წნევის ქვეშ მცირე ხნის გასვლის შემდეგ ბუშტები შიგნით იმსხვრევა, რითაც დეფორმირდება მეტალის ზედაპირები. პროცესი კავიტაცია ასევე შეიძლება წარმოიქმნას ულტრაბგერის გამოყენებით. ულტრაბგერა შედგება შეკუმშვის ტალღებისგან, რომელთა სიხშირე აღემატება სმენადობის დიაპაზონს (20 kHz) და წარმოქმნის ვაკუუმის ბუშტებს წყალსა და წყალხსნარებში. როდესაც ეს ბუშტები კოლაფსირდება, წარმოიქმნება რამდენიმე ათასი გრადუსი ცელსიუსის ტემპერატურა და უკიდურესად მაღალი წნევა, რომელიც აღწევს 1000 bar-ს.

ზემოთ მოცემული სქემა აჩვენებს აკუსტიკური კავიტაციის ეფექტებს მეტალის ნაწილაკების მოდიფიკაციაზე. დაბალი დნობის ტემპერატურის (MP) მქონე ლითონები, როგორიცაა თუთია (Zn), სრულად იჟანგება; მაღალი დნობის ტემპერატურის მქონე ლითონები, როგორიცაა ნიკელი (Ni) და ტიტანი (Ti), ავლენენ ზედაპირის მოდიფიკაციას ულტრაბგერითი დამუშავების დროს. ალუმინი (Al) და მაგნიუმი (Mg) წარმოქმნიან მეზოპოროვან სტრუქტურებს. კეთილშობილი ლითონები მდგრადია ულტრაბგერითი გამოსხივების მიმართ ჟანგვის მიმართ მათი სტაბილურობის გამო. ლითონების დნობის ტემპერატურები მითითებულია კელვინის გრადუსებში (K).

ამ პროცესის ზუსტმა კონტროლმა შეიძლება გამოიწვიოს წყალხსნარში შეტივტივებული ლითონების მიზანმიმართული ნანოსტრუქტურირება – თუ ლითონებს აქვთ გარკვეული ფიზიკური და ქიმიური მახასიათებლები. რადგან ლითონები ძალიან სხვადასხვაგვარად რეაგირებენ ასეთ ულტრაბგერით დამუშავებაზე, როგორც დოქტორმა დარია ანდრეევამ თავის კოლეგებთან ერთად გოლმში, ბერლინსა და მინსკში აჩვენა. მაღალი რეაქტიულობის მქონე ლითონებში, როგორიცაა თუთია, ალუმინი და მაგნიუმი, ნელ-ნელა წარმოიქმნება მატრიცული სტრუქტურა, რომელიც სტაბილიზირებულია ოქსიდული ფენით. ეს იწვევს ფოროვანი ლითონების წარმოქმნას, რომლებიც, მაგალითად, შეიძლება შემდგომში გადამუშავდეს კომპოზიციურ მასალებში. კეთილშობილი ლითონები, როგორიცაა ოქრო, პლატინა, ვერცხლი და პალადიუმი, თუმცა, სხვაგვარად იქცევიან. მათი დაბალი ჟანგვის ტენდენციის გამო, ისინი ეწინააღმდეგებიან ულტრაბგერით დამუშავებას და ინარჩუნებენ თავიანთ საწყის სტრუქტურებსა და თვისებებს.

ზემოთ მოცემული ფოტო აჩვენებს, რომ ულტრაბგერა ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას ალუმინის შენადნობების კოროზიისგან დასაცავად. მარცხნივ: ალუმინის შენადნობის ფოტო ძალიან აგრესიულ ხსნარში, ქვემოთ ზედაპირის ელექტრონული მიკროსკოპული გამოსახულება, რომელზეც – ულტრაბგერითი დამუშავების შედეგად – წარმოიქმნა პოლიელექტროლიტური ფენა. ეს ფენა უზრუნველყოფს კოროზიისგან დაცვას 21 დღის განმავლობაში. მარჯვნივ: იგივე ალუმინის შენადნობი ულტრაბგერითი დამუშავების გარეშე. ზედაპირი სრულად არის კოროზირებული.

ფაქტი, რომ სხვადასხვა ლითონები ულტრაბგერით დამუშავებაზე რადიკალურად განსხვავებულად რეაგირებენ, შეიძლება გამოყენებულ იქნას მასალათა მეცნიერებაში ინოვაციებისთვის. შენადნობები შეიძლება გადაკეთდეს ისე, რომ მივიღოთ ნანოკომპოზიტები, სადაც უფრო სტაბილური მასალის ნაწილაკები ჩასმულია ნაკლებად სტაბილური ლითონის ფოროვან მატრიცაში. ამრიგად, ძალიან მცირე სივრცეში წარმოიქმნება ძალიან დიდი ზედაპირის ფართობები, რაც საშუალებას აძლევს ამ ნანოკომპოზიტებს გამოყენებულ იქნან როგორც კატალიზატორები. ისინი უზრუნველყოფენ განსაკუთრებით სწრაფ და ეფექტურ ქიმიურ რეაქციებს.

დოქტორ დარია ანდრეევასთან ერთად, პროფესორი დოქტორი ანდრეას ფერი, დოქტორი ნიკოლას პასოს-პერესი და იანა შეფერჰანსი, რომლებიც ასევე ფიზიკური ქიმიის II კათედრის წარმომადგენლები არიან, შეუწყეს ხელი სამეცნიერო შედეგებს. თავიანთ კოლეგებთან ერთად გოლმში მდებარე მაქს პლანკის კოლოიდებისა და ინტერფეისების ინსტიტუტში, ბერლინის ჰელმჰოლცის ცენტრში მასალებისა და ენერგეტიკისთვის (Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH) და მინსკში მდებარე ბელარუსის სახელმწიფო უნივერსიტეტში, მათ გამოაქვეყნეს თავიანთი უახლესი შედეგები ონლაინ რეჟიმში ჟურნალში “Nanoscale”.