Nanostrukturéierung mat Ultraschall fir poréis Metaller hierzestellen

Sonochemie ass e ganz effikasst Instrument fir d’Entwécklung an d’Funktionaliséierung vun Nanomaterialien. An der Metallurgie fërdert d’Bestralung mat Ultraschall d’Bildung vu poréise Metaller. D’Fuerschungsgrupp vun der Dr. Daria Andreeva huet eng effikass a käschtegënschteg, ultraschallënnerstëtzt Method entwéckelt, fir mesoporéis Metaller hierzestellen.

Poréis Metaller stoussen a ville verschiddenen technologesche Branchen op groussen Interessi wéinst hiren aussergewéinlechen Eegenschafte wéi hirer Korrosiounsbeständegkeet, hirer mechanescher Festegkeet an hirer Fäegkeet, aussergewéinlech héijen Temperaturen ze widderstoen. Dës Eegenschafte berouen op den nanostrukturéierten Uewerfläche mat Poren, déi nëmmen e puer Nanometer am Duerchmiesser moossen. Mesoporéis Materialie si duerch Poregréissten tëscht 2 a 50 nm charakteriséiert, wärend mikroporéis Materialien eng Poregréisst vu manner wéi 2nm hunn. Eng international Fuerschungsekipp, zu där och d’Dr. Daria Andreeva vun der Universitéit Bayreuth (Departement fir Physikalesch Chimie II) gehéiert, huet erfollegräich eng leeschtungsstaark a käschtegënschteg Ultraschallmethod fir d’Gestaltung an d’Produktioun vun esou metallesche Strukturen entwéckelt.

Bei dësem Prozess gi Metaller an enger wässerlecher Léisung esou behandelt, datt sech a genee definéierten Ofstänn Huelraim vun e puer Nanometer bilden. Fir dës moossgeschneidert Strukture gëtt et schonn e breede Spektrum vun innovativen Uwendungen, dorënner d’Loftbotzung, d’Energiespäicherung oder d’Medizintechnik. Besonnesch villverspriechend ass den Asaz vu poréise Metaller an Nanokompositten. Dës sinn eng nei Klass vu Verbondmaterialien, an deenen eng ganz fein Matrixstruktur mat Partikele mat enger Gréisst vu bis zu 20 Nanometer gefëllt ass.

Déi nei Technik benotzt e Prozess vun der Blosenbildung duerch Ultraschall, deen an der Physik Kavitation genannt gëtt (ofgeleet vum laténgesche Wuert “cavus” = “huel”). An der Séifaart gëtt dëse Prozess gefaart wéinst de grousse Schied, déi en u Schëffspropelleren an Turbinne verursaache kann. Bei ganz héijen Dréizuele bilden sech nämlech Dampblosen ënner Waasser. No kuerzer Zäit ënner extrem héijem Drock falen d’Blosen no bannen zesummen a verformen doduerch d’metallesch Uewerflächen. De Prozess vun der Kavitation kann och mat Ultraschall ausgeléist ginn. Ultraschall besteet aus Kompressiounswelle mat Frequenzen iwwer dem héierbare Beräich (20 kHz) a produzéiert Vakuumblosen am Waasser an a wässerleche Léisungen. Wann dës Blosen implodéieren, entstinn Temperature vun e puer dausend Grad Celsius an extrem héich Dréck vu bis zu 1000 bar.

D’Schema hei uewen weist d’Auswierkunge vun der akustescher Kavitation op d’Modifikatioun vu Metallpartikelen. Metaller mat engem nidderege Schmelzpunkt (MP) wéi Zénk (Zn) gi komplett oxidéiert; Metaller mat engem héije Schmelzpunkt wéi Néckel (Ni) an Titan (Ti) weisen ënner Ultraschallbehandlung eng Modifikatioun vun der Uewerfläch. Aluminium (Al) a Magnesium (Mg) bilde mesoporéis Strukturen. Edelmetaller si wéinst hirer Stabilitéit géintiwwer Oxidatioun bestänneg géint Ultraschallbestralung. D’Schmelzpunkte vun de Metaller sinn a Grad Kelvin (K) uginn.

Eng genee Kontroll vun dësem Prozess kann zu enger geziilter Nanostrukturéierung vu Metaller féieren, déi an enger wässerlecher Léisung suspendéiert sinn – virausgesat, datt d’Metaller bestëmmt physikalesch a cheemesch Eegenschaften hunn. Metaller reagéieren nämlech ganz ënnerschiddlech, wa si esou enger Ultraschallbehandlung ausgesat ginn, wéi d’Dr. Daria Andreeva zesumme mat hire Kolleegen zu Golm, Berlin a Minsk gewisen huet. Bei Metaller mat héijer Reaktivitéit wéi Zénk, Aluminium a Magnesium bilt sech no an no eng Matrixstruktur, déi duerch eng Oxidschicht stabiliséiert gëtt. Doraus entstinn poréis Metaller, déi zum Beispill a Verbondmaterialie weiderverschafft kënne ginn. Edelmetaller wéi Gold, Platin, Sëlwer a Palladium verhalen sech dogéint anescht. Wéinst hirer gerénger Neigung zur Oxidatioun widdersti si der Ultraschallbehandlung a behalen hir ursprénglech Strukturen an Eegenschaften.

D’Bild hei uewen weist, datt Ultraschall och fir de Schutz vun Aluminiumlegéierunge géint Korrosioun agesat ka ginn. Lénks: D’Foto vun enger Aluminiumlegéierung an enger staark korrosiver Léisung, dorënner eng elektronenmikroskopesch Opnam vun der Uewerfläch, op där sech – duerch d’Ultraschallbehandlung – eng Polyelektrolytschicht gebilt huet. Dës Schicht bitt 21 Deeg laang Schutz géint Korrosioun. Riets: Déiselwecht Aluminiumlegéierung, ouni datt si enger Ultraschallbehandlung ausgesat gouf. D’Uewerfläch ass komplett korrodéiert.

D’Tatsaach, datt verschidde Metaller op ganz ënnerschiddlech Aart a Weis op Ultraschallbehandlung reagéieren, ka fir Innovatiounen an der Materialwëssenschaft genotzt ginn. Legéierunge kënnen op dës Aart a Weis an Nanokompositten ëmgewandelt ginn, an deenen d’Partikele vum méi stabile Material an enger poréiser Matrix vum manner stabile Metall agebett sinn. Esou entstinn op ganz begrenztem Raum ganz grouss Uewerflächen, déi et erlaben, dës Nanokompositten als Katalysatoren anzesetzen. Si bewierke besonnesch séier an effikass cheemesch Reaktiounen.

Zesumme mat der Dr. Daria Andreeva hunn d’Fuerscher Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez a Jana Schäferhans, déi och zum Departement fir Physikalesch Chimie II gehéieren, zu de Fuerschungsresultater bäigedroen. Mat hire Kolleegen um Max-Planck-Institut fir Kolloiden a Grenzflächen zu Golm, beim Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH an op der Wäissrussescher Staatsuniversitéit zu Minsk hu si hir lescht Resultater online an der Zäitschrëft “Nanoscale” publizéiert.