Ultraskaņas Nano-strukturēšana, lai ražotu porainus metālus

Sonochemistry ir ļoti efektīvs līdzeklis nanomateriālu inženierijai un funkcionalizācijai. Metalurģijā ultraskaņas apstarošana veicina porainu metālu veidošanos. Dr. Daria Andreeva pētniecības grupa izstrādāja efektīvu un rentablu ultraskaņas palīdzību, lai ražotu mezoporainus metālus.

Porainie metāli piesaista lielu interesi par kolektoru tehnoloģiskajām nozarēm, pateicoties to izcilajām īpašībām, piemēram, izturībai pret koroziju, mehāniskajai izturībai un spējai izturēt ārkārtīgi augstas temperatūras. Šo īpašību pamatā ir nanostrukturētas virsmas ar porām, kuru diametrs ir tikai daži nanometri. Mezoporiem materiāliem raksturīgi pozu izmēri no 2 līdz 50 nm, savukārt mikroporainam materiālam poru izmērs ir mazāks par 2nm. Starptautiska pētnieku komanda, kurā ietilpst Dr. Daria Andreeva no Baireitas universitātes (II Fizikālās ķīmijas katedra), ir veiksmīgi izstrādājusi lieljaudas un rentablu ultraskaņas procedūru šādu metāla konstrukciju projektēšanai un ražošanai.

Šajā procesā metāli tiek apstrādāti ūdens šķīdumā tā, lai dažu nanometru dobumi attīstītos precīzi noteiktās spraugās. Šīm īpaši pielāgotajām struktūrām jau ir plašs inovatīvu lietojumu spektrs, tostarp gaisa attīrīšana, enerģijas uzglabāšana vai medicīniskās tehnoloģijas. Īpaši daudzsološa ir porainu metālu izmantošana nanokompozītos. Tās ir jaunas kompozītmateriālu klases, kurās ļoti smalka matricas struktūra ir piepildīta ar daļiņām, kuru izmērs ir līdz 20 nanometriem.

Jaunā metode izmanto ultrasoniski ģenerētu burbuļu veidošanās procesu, ko fizikā sauc par kavitāciju (iegūts no lat. “Cavus” = “dobi”). Jūrniecībā no šī procesa baidās, jo tas var radīt lielus postījumus kuģu dzenskrūvēm un turbīnām. Pie ļoti liela rotācijas ātruma zem ūdens veidojas tvaika burbuļi. Pēc neilga laika ārkārtīgi augstā spiedienā burbuļi sabrūk iekšēji, tādējādi deformējot metāla virsmas. Process Kavitāciju var ģenerēt arī, izmantojot ultraskaņu. Ultraskaņa sastāv no kompresijas viļņiem ar frekvencēm virs skaņas diapazona (20 kHz) un rada vakuuma burbuļus ūdenī un ūdens šķīdumos. Temperatūra ir vairāki tūkstoši grādu pēc Celsija un ārkārtīgi augsts spiediens līdz 1000 bāriem, kad šie burbuļi implodē.

Iepriekš minētā shēma parāda akustiskās kavitācijas ietekmi uz metāla daļiņu modifikāciju. Metāli ar zemu kušanas temperatūru (MP) kā cinks (Zn) ir pilnīgi oksidēti; metāliem ar augstu kušanas temperatūru, piemēram, niķeli (Ni) un titānu (Ti), ultraskaņas apstākļos piemīt virsmas modifikācija. Alumīnijs (Al) un magnijs (Mg) veido mezoporu struktūras. Nobela metāli ir izturīgi pret ultraskaņas apstarošanu, pateicoties to stabilitātei pret oksidāciju. Metālu kušanas punkti ir norādīti Kelvina (K) grādos.

Precīza šī procesa kontrole var novest pie ūdens šķīdumā suspendētu metālu mērķtiecīgas nanostrukturēšanas, ņemot vērā noteiktas metālu fizikālās un ķīmiskās īpašības. Attiecībā uz metāliem reaģē ļoti atšķirīgi, ja tie ir pakļauti šādai ultraskaņas apstrādei, kā to parādīja Dr Daria Andreeva kopā ar saviem kolēģiem Golmā, Berlīnē un Minskā. Metālos ar augstu reaktivitāti, piemēram, cinkā, alumīnijā un magnijā, pakāpeniski veidojas matricas struktūra, ko stabilizē oksīda pārklājums. Tā rezultātā rodas poraini metāli, kurus, piemēram, var tālāk apstrādāt kompozītmateriālos. Cēlmetāli, piemēram, zelts, platīns, sudrabs un pallādijs, tomēr uzvedas atšķirīgi. Ņemot vērā to zemo oksidācijas tendenci, tie pretojas ultraskaņas apstrādei un saglabā sākotnējās struktūras un īpašības.

Iepriekš redzamajā attēlā redzams, ka ultraskaņu var izmantot arī alumīnija sakausējumu aizsardzībai pret koroziju. Kreisajā pusē: alumīnija sakausējuma fotoattēls ļoti kodīgā šķīdumā, zem virsmas elektomiskopiskā attēla, uz kura ultraskaņas apstrādes dēļ ir izveidots polilektolīta pārklājums. Šis pārklājums nodrošina aizsardzību pret koroziju 21 dienu. Labajā pusē: tas pats alumīnija sakausējums, kas nav pakļauts ultraskaņas apstrādei. Virsma ir pilnībā korodējusi.

To, ka dažādi metāli dramatiski atšķirīgi reaģē uz ultraskaņu, var izmantot inovācijām materiālu zinātnē. Sakausējumus tādā veidā var pārveidot par nanokompozītiem, kuros stabilāka materiāla daļiņas ir iekļautas mazāk stabilā metāla porainā matricā. Tādējādi ļoti ierobežotā telpā rodas ļoti lieli virsmas laukumi, kas ļauj šos nanokompozītus izmantot kā katalizatorus. Tie rada īpaši ātras un efektīvas ķīmiskās reakcijas.

Kopā ar Dr. Daria Andreeva pētījuma rezultātos piedalījās pētnieki prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez un Jana Schäferhans, arī no Fizikālās ķīmijas katedras II. Kopā ar kolēģiem Maksa Planka Koloīdu un saskarņu institūtā Golmā, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH un Baltkrievijas Valsts universitātē Minskā viņi ir publicējuši savus jaunākos rezultātus tiešsaistē žurnālā “Nanomērogs”.