다공성 금속을 제조하기위한 초음파 나노 구조물

sonochemistry 나노 소재의 엔지니어링 및 기능화를위한 매우 효과적인 도구입니다. 야금학에서 초음파 조사는 다공성 금속의 형성을 촉진합니다. Daria Andreeva 박사 연구 그룹은 메조 포러스 금속을 생산하기위한 효과적이고 비용 효율적인 초음파 보조 절차를 개발했습니다.

다공성 금속은 내식성, 기계적 강도 및 극단적 인 고온에 견딜 수있는 능력과 같은 우수한 특성으로 인해 다양한 기술 분야에 높은 관심을 불러 일으 킵니다. 이러한 특성은 직경이 수 나노 미터에 불과한 구멍이있는 나노 구조의 표면을 기반으로합니다. 메조 포러스 물질은 2 내지 50 nm 사이의 포즈 크기에 의해 특징 지워지는 반면, 미세 다공성 물질은 2 nm 미만의 기공 크기를 갖는다. 바이로이트 대학교의 Daria Andreeva 박사 (물리 화학 II학과)를 포함한 국제 연구팀은 이러한 금속 구조물의 설계 및 생산을 위해 강력하고 비용 효율적인 초음파 절차를 성공적으로 개발했습니다.

이 공정에서, 금속은 수 나노 미터의 공동이 정확히 정의 된 간격으로 진화하는 방식으로 수용액에서 처리됩니다. 이러한 맞춤형 구조의 경우 이미 공기 정화, 에너지 저장 또는 의료 기술 등 혁신적인 응용 분야가 광범위하게 존재합니다. 특히 나노 복합체에 다공성 금속을 사용하는 것이 유망하다. 이들은 매우 우수한 매트릭스 구조가 최대 20 나노 미터 크기의 입자로 채워지는 새로운 종류의 복합 재료입니다.

UIP1000hd는 재료 공학, 나노 구조화 및 입자 수정에 사용되는 강력한 초음파 장치입니다. (확대하려면 클릭!)

D. Andreeva 박사는 수성 현탁액에서 고체 입자를 초음파 처리하는 과정을 UIP1000hd 초음파 발생기 (20 kHz, 1000 W). 그림 채널. Wißler

새로운 기술은 물리학에서 캐비테이션이라고 불리는 초음파 생성 된 버블 형성 과정을 이용한다. “기생충” = “구멍”). 항해 중에는 프로펠러와 터빈을 운반 할 수있는 큰 피해로이 과정이 두려워합니다. 매우 높은 회전 속도에서 증기 거품이 물 아래에서 형성됩니다. 매우 높은 압력 하에서 짧은 기간 후에 거품은 안쪽으로 붕괴되어 금속 표면을 변형시킨다. 의 과정 캐비테이션 또한 초음파를 이용하여 생성 될 수있다. 초음파는 가청 범위 (20 kHz) 이상의 주파수를 갖는 압축파로 구성되며 물과 수용액에서 진공 기포를 생성합니다. 수천 도의 섭씨 온도와 1000 bar까지의 매우 높은 압력이 이러한 거품이 붕괴 될 때 발생합니다.

초음파 장치 UIP1000hd는 다공성 금속의 나노 구조화에 사용되었습니다. (확대하려면 클릭!)

금속 입자의 수정에 대한 음향 캐비테이션의 효과에 대한 도식적 인 제시.
D. Andreeva 박사의 사진

위의 도식은 음향 캐비테이션이 금속 입자의 변형에 미치는 영향을 보여줍니다. 아연 (Zn)과 같이 저 융점 (MP) 금속은 완전히 산화된다. 니켈 (Ni) 및 티타늄 (Ti)과 같은 고 융점 금속은 초음파 처리시 표면 변형을 나타냅니다. 알루미늄 (Al)과 마그네슘 (Mg)은 메조 포러스 구조를 형성합니다. 노벨 금속은 산화에 대한 안정성으로 인해 초음파 조사에 저항력이 있습니다. 금속의 융점은 켈빈 (K)으로 표시한다.

이 공정을 정확하게 제어하면 수용액에 부유 된 금속의 표적화 된 나노 구조가 형성 될 수 있습니다. 금속의 특정 물리적 화학적 특성이 주어집니다. Golm, Berlin 및 Minsk의 동료들과 함께 Daria Andreeva 박사가 보여준 것처럼, 그러한 sonication에 노출되었을 때 금속은 매우 다르게 반응합니다. 아연, 알루미늄 및 마그네슘과 같은 높은 반응성을 갖는 금속에서 매트릭스 구조가 점차적으로 형성되고 산화물 코팅에 의해 안정화됩니다. 이로 인해 예를 들어 복합 재료로 추가 가공 될 수있는 다공성 금속이 생성됩니다. 금, 백금,은 및 팔라듐과 같은 고귀한 금속은 그러나 다르게 행동합니다. 산화 경향이 낮기 때문에 초음파 처리에 저항하고 초기 구조와 특성을 유지합니다.

초음파 처리에 의해 고분자 전해질 코팅이 형성되어 부식을 방지 할 수 있습니다. (확대하려면 클릭!)

부식에 대한 알루미늄 합금의 초음파 보호. [© Skorb et al. 2011 년]

위 그림은 알루미늄 합금의 부식 방지를 위해 초음파를 사용할 수 있음을 보여줍니다. 왼쪽 : 표면의 전자 현미경 이미지 아래에 매우 부식성이있는 용액에있는 알루미늄 합금의 사진으로, 초음파 처리로 인해 폴리 전해질 코팅이 형성되었습니다. 이 코팅은 21 일 동안 부식으로부터 보호합니다. 오른쪽 : 초음파 처리에 노출되지 않은 동일한 알루미늄 합금. 표면이 완전히 부식되었습니다.

서로 다른 금속이 초음파 처리에 대해 극적으로 다른 방식으로 반응한다는 사실은 재료 과학의 혁신에 이용 될 수 있습니다. 합금은보다 안정한 물질의 입자가 덜 안정한 금속의 다공성 매트릭스에 싸인 나노 복합체와 같은 방식으로 변환 될 수있다. 따라서 매우 넓은 표면적이 매우 제한된 공간에서 발생하여 이러한 나노 복합체를 촉매로 사용할 수 있습니다. 특히 빠르고 효율적인 화학 반응을 일으 킵니다.

Daria Andreeva 박사와 함께 Andreas Fery 박사, Nicolas Pazos-Perez 박사 및 Jana Schäferhans 박사도 Physical Chemistry II 부서에서 연구 결과에 기여했습니다. Golm의 Max Planck 연구소와 Max Planck 연구소, Helmholtz-Zentrum Berlin, Materialien und Energie GmbH 및 벨로루시 주립 대학의 Minsk 연구원은 저널에 온라인으로 최신 결과를 게시했습니다. “나노 스케일”.

Hielscher's ultrasonicator UIP1000hd was successfully used for the formation of mesoporous metals. (Click to enlarge!)

초음파 프로세서 UIP1000hd 금속 나노 구조화

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참고:

  • Skorb, Ekaterina V .; 수정, 디미트리; Shchukin, Dmitry G .; Möhwald, Helmuth; Sviridov, Dmitry V .; Mousa, Rami; Wanderka, Nelia; Schäferhans, Jana; Pazos-Perez, Nicolas; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2011) : 금속 스폰지의 Sonochemical 형성. 나노 스케일 – Advance first 3/3, 2011. 985-993.
  • Wißler, Christian (2011) : 초음파를 이용한 고정밀 나노 구조 : 다공성 금속 생산을위한 새로운 절차. Forschung에서보기. 2011 년 5 월 5 일, Universität Universität Mitteilungen.

자세한 과학적 정보는 다음 연락처로 문의하십시오 : Bayreuth University 물리 화학과 Daria Andreeva 박사, 95440 Bayreuth, Germany – 전화 번호 : +49 (0) 921 / 55-2750
이메일 : daria.andreeva@uni-bayreuth.de



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