Ultraschall Nano-Strukturéierung fir poröse Metaller ze produzéieren

Sonochemie ass e ganz effektiv Tool fir d'Ingenieur an d'Funktionaliséierung vun Nanomaterialien. An der Metallurgie fördert d'Ultraschallstrahlung d'Bildung vu poröse Metaller. D'Fuerschungsgrupp vum Dr Daria Andreeva huet eng effektiv a kosteneffizient Ultraschall-assistéiert Prozedur entwéckelt fir mesoporous Metaller ze produzéieren.

Poröse Metaller lackele e groussen Interessi vu ville technologesche Branchen wéinst hiren aussergewéinleche Charakteristiken wéi hir Korrosiounsbeständegkeet, mechanesch Kraaft an d'Kapazitéit fir extrem héich Temperaturen ze widderstoen. Dës Eegeschafte baséieren op den nanostrukturéierten Flächen mat Poren déi nëmmen e puer Nanometer am Duerchmiesser moossen. Mesoporous Materialien si charakteriséiert duerch Posegréissten tëscht 2 an 50 nm, wärend mikroporös Material eng Poregréisst manner wéi 2 nm hunn. Eng international Fuerschungsteam, dorënner Dr Daria Andreeva vun der Bayreuth University (Department of Physical Chemistry II) huet erfollegräich eng schwiereg a kosteneffizient Ultraschallprozedur fir den Design an d'Produktioun vun esou metallesche Strukturen entwéckelt.

Bei dësem Prozess ginn Metaller an enger wässerlecher Léisung esou behandelt, datt Huelraim vun e puer Nanometer sech entwéckelen, a präzis definéierte Lücken. Fir dës Mooss gemaach Strukturen gëtt et schonn e breet Spektrum vun innovativen Uwendungen, dorënner Loft Botzen, Energie Stockage oder medezinesch Technologie. Besonnesch villverspriechend ass d'Benotzung vu poröse Metaller an Nanokomposite. Dëst sinn eng nei Klass vu Kompositmaterialien, an deenen eng ganz fein Matrixstruktur mat Partikele gefëllt ass, déi an der Gréisst bis zu 20 Nanometer variéieren.

Déi nei Technik benotzt e Prozess vun der ultraschall generéierter Bubblebildung, déi als Kavitatioun an der Physik bezeechent gëtt (ofgeleet vu Lat. “cavus” = “huel”). Am Seefahrt gëtt dëse Prozess gefaart wéinst dem grousse Schued, deen et fir d'Schëffer vu Propeller an Turbinen verursaache kann. Fir bei ganz héijer Rotatiounsgeschwindegkeet bilden Dampblasen ënner Waasser. No enger kuerzer Zäit ënner extrem héijen Drock falen d'Bubbles no bannen zesummen, sou datt d'metallesch Flächen deforméieren. De Prozess vun Kavitatioun kann och mat Ultraschall generéiert ginn. Ultraschall besteet aus Kompressiounswellen mat Frequenzen iwwer dem hørbare Beräich (20 kHz) a generéiert Vakuumblasen am Waasser a Waasserléisungen. Temperaturen vun e puer dausend Grad Celsius an extrem héijen Drock vu bis zu 1000 Bar entstinn wann dës Blasen implodéieren.

De Schema uewen weist d'Effekter vun der akustescher Kavitatioun op d'Modifikatioun vun Metallpartikelen. Metaller mat engem nidderegen Schmelzpunkt (MP) wéi Zink (Zn) sinn komplett oxidéiert; Metaller mat engem héije Schmelzpunkt wéi Nickel (Ni) an Titan (Ti) weisen Uewerflächemodifikatioun ënner Sonikatioun. Aluminium (Al) a Magnesium (Mg) bilden mesoporöse Strukturen. Nobelmetaller si resistent géint Ultraschallbestralung wéinst hirer Stabilitéit géint Oxidatioun. D'Schmelzpunkte vun de Metalle ginn a Grad Kelvin (K) spezifizéiert.

Eng präzis Kontroll vun dësem Prozess kann zu enger geziilter Nanostrukturéierung vu Metaller féieren, déi an enger wässerlecher Léisung suspendéiert sinn - mat bestëmmte physikaleschen a chemesche Charakteristiken vun de Metaller. Fir Metaller reagéiere ganz anescht wann se un esou Sonikatioun ausgesat sinn, wéi d'Dokter Daria Andreeva zesumme mat hire Kollegen zu Golm, Berlin a Minsk gewisen huet. Bei Metaller mat héijer Reaktivitéit wéi Zink, Aluminium a Magnesium gëtt lues a lues eng Matrixstruktur geformt, stabiliséiert duerch eng Oxidbeschichtung. Dat entstinn porös Metaller, déi zum Beispill a Kompositmaterial weider veraarbecht kënne ginn. Edelmetaller wéi Gold, Platin, Sëlwer a Palladium behuelen sech awer anescht. Op Grond vun hirer gerénger Oxidatiounstendens widderstoen se d'Ultraschallbehandlung an behalen hir initial Strukturen an Eegeschaften.

D'Bild hei uewen weist datt Ultraschall och fir de Schutz vun Aluminiumlegierungen géint Korrosioun benotzt ka ginn. Lénks: D'Foto vun enger Aluminiumlegierung an enger héich ätzender Léisung, ënner engem elektromikroskopescht Bild vun der Uewerfläch, op där - duerch Sonikatioun - eng Polyelektrolytbeschichtung geformt gouf. Dës Beschichtung bitt e Schutz géint Korrosioun fir 21 Deeg. Riets: Déiselwecht Aluminiumlegierung ouni Sonikatioun ausgesat ze sinn. D'Uewerfläch ass komplett korrodéiert.

D'Tatsaach, datt verschidde Metaller op dramatesch verschidde Weeër op d'Sonicatioun reagéiere kënnen fir Innovatiounen an der Materialwëssenschaft ausgenotzt ginn. Legierungen kënnen op esou eng Manéier an Nanokomposite ëmgewandelt ginn, an deenen d'Partikele vum méi stabile Material an enger poröser Matrix vum manner stabile Metall ageklemmt sinn. Ganz grouss Flächen entstinn also a ganz limitéierter Plaz, déi et erlaben dës Nanokomposite als Katalysator ze benotzen. Si bewierken besonnesch séier an effizient chemesch Reaktiounen.

Zesumme mam Dr Daria Andreeva hunn d'Fuerscher Prof Dr Andreas Fery, Dr Nicolas Pazos-Perez an Jana Schäferhans, och vum Departement Physical Chimie II, zu de Fuerschungsresultater bäigedroen. Mat hire Kollegen um Max Planck Institut fir Kolloiden an Interfaces zu Golm, dem Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH an der Belarusian State University zu Minsk, hunn si hir lescht Resultater online am Journal publizéiert “Nanoskala”.