다공성 금속을 생산하기 위한 초음파 나노 구조화

초음파 화학 나노 물질의 엔지니어링 및 기능화를 위한 매우 효과적인 도구입니다. 야금학에서 초음파 조사는 다공성 금속의 형성을 촉진합니다. Daria Andreeva 박사의 연구 그룹은 메조다공성 금속을 생산하기 위해 효과적이고 비용 효율적인 초음파 보조 절차를 개발했습니다.

다공성 금속은 내식성, 기계적 강도 및 매우 높은 온도를 견딜 수 있는 능력과 같은 뛰어난 특성으로 인해 다양한 기술 분야의 높은 관심을 끌고 있습니다. 이러한 특성은 직경이 몇 나노미터에 불과한 기공이 있는 나노 구조 표면을 기반으로 합니다. 메조다공성 물질은 2에서 50nm 사이의 포즈 크기를 특징으로 하는 반면, 미세 다공성 물질은 2nm 미만의 기공 크기를 갖습니다. 바이로이트 대학의 다리아 안드레바(Daria Andreeva) 박사(물리화학과 II)를 포함한 국제 연구팀은 이러한 금속 구조물의 설계 및 생산을 위한 강력하고 비용 효율적인 초음파 절차를 성공적으로 개발했습니다.

이 과정에서 금속은 수 나노미터의 캐비티가 정확하게 정의된 틈으로 진화하는 방식으로 수용액에서 처리됩니다. 이러한 맞춤형 구조의 경우 이미 공기 정화, 에너지 저장 또는 의료 기술을 포함한 광범위한 혁신적인 응용 분야가 있습니다. 특히 유망한 것은 나노 복합 재료에 다공성 금속을 사용하는 것입니다. 이들은 매우 미세한 매트릭스 구조가 최대 20나노미터 크기의 입자로 채워진 새로운 종류의 복합 재료입니다.

이 새로운 기술은 물리학에서 캐비테이션이라고 하는 초음파로 생성된 기포 형성 과정을 활용합니다(위도에서 파생됨). “캐부스” = “구덩이”). 항해에서 이 과정은 프로펠러와 터빈을 배송하는 데 큰 손상을 줄 수 있기 때문에 두려워됩니다. 매우 높은 회전 속도에서는 물 아래에서 증기 기포가 형성됩니다. 매우 높은 압력 하에서 짧은 기간 후에 기포는 안쪽으로 붕괴되어 금속 표면을 변형시킵니다. 의 과정 공동 현상 초음파를 사용하여 생성할 수도 있습니다. 초음파는 가청 범위(20kHz) 이상의 주파수를 가진 압축파로 구성되며 물과 수용액에서 진공 기포를 생성합니다. 섭씨 수천 도의 온도와 최대 1000bar의 매우 높은 압력이 이러한 기포가 붕괴될 때 발생합니다.

위의 계획은 금속 입자의 변형에 대한 음향 캐비테이션의 효과를 보여줍니다. 아연(Zn)과 같이 녹는점(MP)이 낮은 금속은 완전히 산화됩니다. 니켈 (Ni) 및 티타늄 (Ti)과 같이 융점이 높은 금속은 초음파 처리 하에서 표면 변형을 나타냅니다. 알루미늄(Al)과 마그네슘(Mg)은 메조다공성 구조를 형성합니다. 노벨 금속은 산화에 대한 안정성으로 인해 초음파 조사에 내성이 있습니다. 금속의 녹는점은 켈빈(K)도로 지정됩니다.

이 공정의 정확한 제어는 금속의 특정 물리적 및 화학적 특성을 감안할 때 수용액에 부유하는 금속의 표적 나노 구조화로 이어질 수 있습니다. 금속은 골름, 베를린 및 민스크의 동료들과 함께 Daria Andreeva 박사가 보여준 것처럼 그러한 초음파 처리에 노출되었을 때 매우 다르게 반응합니다. 아연, 알루미늄 및 마그네슘과 같은 반응성이 높은 금속에서는 매트릭스 구조가 점차적으로 형성되고 산화물 코팅에 의해 안정화됩니다. 그 결과 예를 들어 복합 재료로 추가 가공할 수 있는 다공성 금속이 생성됩니다. 그러나 금, 백금, 은 및 팔라듐과 같은 귀금속은 다르게 작용합니다. 산화 경향이 낮기 때문에 초음파 처리에 저항하고 초기 구조와 특성을 유지합니다.

위의 그림은 초음파가 알루미늄 합금의 부식을 방지하는 데에도 사용될 수 있음을 보여줍니다. 왼쪽 : 부식성이 강한 용액에 담긴 알루미늄 합금의 사진, 표면의 전기 현미경 이미지 아래, 초음파 처리로 인해 polyelectolyte 코팅이 형성되었습니다. 이 코팅은 21일 동안 부식을 방지합니다. 오른쪽: 초음파 처리에 노출되지 않은 동일한 알루미늄 합금. 표면이 완전히 부식되었습니다.

서로 다른 금속이 초음파 처리에 극적으로 다른 방식으로 반응한다는 사실은 재료 과학의 혁신에 활용 될 수 있습니다. 합금은 더 안정적인 물질의 입자가 덜 안정적인 금속의 다공성 매트릭스에 싸여 있는 나노 복합체로 전환될 수 있습니다. 따라서 매우 제한된 공간에서 매우 큰 표면적이 발생하여 이러한 나노 복합체가 촉매로 사용될 수 있습니다. 특히 빠르고 효율적인 화학 반응에 영향을 미칩니다.

다리아 안드레에바(Daria Andreeva) 박사와 함께 안드레아스 페리(Andreas Fery) 교수, 니콜라스 파조스-페레즈(Nicolas Pazos-Perez) 박사, 야나 셰퍼한스(Jana Schäferhans) 물리화학과 II학과가 연구 결과에 기여했습니다. 골름의 막스 플랑크 콜로이드 및 인터페이스 연구소(Max Planck Institute of Colloids and Interfaces), 베를린 헬름홀츠 센터(Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH), 민스크의 벨라루스 국립대학교(Belarusian State University)의 동료들과 함께 최신 연구 결과를 저널 온라인에 발표했습니다 “나노스케일”.