Nanostrukturēšana ar ultraskaņu porainu metālu iegūšanai

Sonoķīmija ir ļoti efektīvs līdzeklis nanomateriālu izstrādei un funkcionalizēšanai. Metalurģijā ultraskaņas iedarbība veicina porainu metālu veidošanos. Dr. Daria Andreeva pētnieku grupa izstrādāja efektīvu un izmaksu ziņā izdevīgu metodi mezoporainu metālu iegūšanai ar ultraskaņas palīdzību.

Poraini metāli izraisa lielu interesi daudzās tehnoloģiju nozarēs, pateicoties to izcilajām īpašībām, piemēram, izturībai pret koroziju, mehāniskajai izturībai un spējai izturēt ārkārtīgi augstu temperatūru. Šo īpašību pamatā ir nanostrukturētas virsmas ar porām, kuru diametrs ir tikai daži nanometri. Mezoporainiem materiāliem raksturīgs poru izmērs no 2 līdz 50 nm, savukārt mikroporainiem materiāliem poru izmērs ir mazāks par 2nm. Starptautiska pētnieku grupa, kurā piedalās arī Dr. Daria Andreeva no Baireitas Universitātes Fizikālās ķīmijas II katedras, ir veiksmīgi izstrādājusi augstas veiktspējas un izmaksu ziņā izdevīgu ultraskaņas metodi šādu metālisku struktūru projektēšanai un ražošanai.

Šajā procesā metālus apstrādā ūdens šķīdumā tā, lai precīzi noteiktās atstarpēs veidotos dažus nanometrus lieli dobumi. Šīm īpaši pielāgotajām struktūrām jau pastāv plašs novatorisku lietojumu klāsts, tostarp gaisa attīrīšanā, enerģijas uzkrāšanā un medicīnas tehnoloģijās. Īpaši daudzsološa ir porainu metālu izmantošana nanokompozītos. Tie ir jauna kompozītmateriālu klase, kurā ļoti smalka matricas struktūra ir piepildīta ar daļiņām, kuru izmērs sasniedz līdz 20 nanometriem.

Jaunajā metodē izmanto ultraskaņas izraisītu burbuļu veidošanās procesu, ko fizikā sauc par kavitāciju (no latīņu valodas vārda “cavus” = “dobs”). Kuģniecībā no šī procesa baidās, jo tas var radīt lielus bojājumus kuģu dzenskrūvēm un turbīnām. Proti, pie ļoti liela rotācijas ātruma zem ūdens veidojas tvaika burbuļi. Pēc īsa laika ārkārtīgi augsta spiediena ietekmē burbuļi sabrūk uz iekšu, tādējādi deformējot metāla virsmas. Arī kavitācijas procesu var izraisīt, izmantojot ultraskaņu. Ultraskaņu veido kompresijas viļņi ar frekvencēm virs dzirdamības diapazona (20 kHz), un tā rada vakuuma burbuļus ūdenī un ūdens šķīdumos. Šiem burbuļiem implodējot, rodas vairākus tūkstošus Celsija grādu augsta temperatūra un ārkārtīgi augsts spiediens līdz 1000 bar.

Iepriekš redzamajā shēmā parādīta akustiskās kavitācijas ietekme uz metāla daļiņu modificēšanu. Metāli ar zemu kušanas temperatūru (MP), piemēram, cinks (Zn), pilnībā oksidējas; metāliem ar augstu kušanas temperatūru, piemēram, niķelim (Ni) un titānam (Ti), apstrāde ar ultraskaņu izraisa virsmas modificēšanos. Alumīnijs (Al) un magnijs (Mg) veido mezoporainas struktūras. Cēlmetāli ir izturīgi pret ultraskaņas iedarbību, jo tie ir noturīgi pret oksidēšanos. Metālu kušanas temperatūras ir norādītas Kelvina grādos (K).

Precīza šī procesa kontrole var ļaut mērķtiecīgi nanostrukturēt ūdens šķīdumā suspendētus metālus, ja tiem piemīt noteiktas fizikālās un ķīmiskās īpašības. Proti, metāli uz šādu apstrādi ar ultraskaņu reaģē ļoti atšķirīgi, kā to ir parādījusi Dr. Daria Andreeva kopā ar kolēģiem Golmā, Berlīnē un Minskā. Metālos ar augstu reaģētspēju, piemēram, cinkā, alumīnijā un magnijā, pakāpeniski veidojas matricas struktūra, ko stabilizē oksīda pārklājums. Tā iegūst porainus metālus, kurus, piemēram, var tālāk pārstrādāt kompozītmateriālos. Savukārt cēlmetāli, piemēram, zelts, platīns, sudrabs un pallādijs, uzvedas citādi. Tā kā tiem ir maza tieksme oksidēties, tie ir izturīgi pret apstrādi ar ultraskaņu un saglabā sākotnējo struktūru un īpašības.

Iepriekš redzamajā attēlā parādīts, ka ultraskaņu var izmantot arī alumīnija sakausējumu aizsardzībai pret koroziju. Pa kreisi: alumīnija sakausējuma fotogrāfija ļoti korozīvā šķīdumā; zem tās – virsmas elektronmikroskopijas attēls, kurā redzams apstrādes ar ultraskaņu rezultātā izveidojies polielektrolīta pārklājums. Šis pārklājums nodrošina aizsardzību pret koroziju 21 dienu. Pa labi: tas pats alumīnija sakausējums bez apstrādes ar ultraskaņu. Virsma ir pilnībā korodējusi.

To, ka dažādi metāli uz apstrādi ar ultraskaņu reaģē krasi atšķirīgi, var izmantot inovācijām materiālzinātnē. Sakausējumus šādi var pārveidot nanokompozītos, kuros stabilākā materiāla daļiņas ir ietvertas mazāk stabilā metāla porainā matricā. Tādējādi ļoti ierobežotā telpā veidojas ļoti liels virsmas laukums, kas ļauj šos nanokompozītus izmantot kā katalizatorus. Tie izraisa īpaši ātras un efektīvas ķīmiskās reakcijas.

Kopā ar Dr. Daria Andreeva pētījuma rezultātu iegūšanā piedalījās arī Fizikālās ķīmijas II katedras pētnieki Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez un Jana Schäferhans. Kopā ar kolēģiem no Maksa Planka Koloīdu un saskarņu institūta Golmā, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH un Baltkrievijas Valsts universitātes Minskā viņi ir publicējuši jaunākos rezultātus žurnāla “Nanoscale” tiešsaistes izdevumā.