Ultrasone nanostructurering voor de productie van poreuze metalen

Sonochemie is een zeer effectief hulpmiddel voor de ontwikkeling en functionalisering van nanomaterialen. In de metallurgie bevordert ultrasone bestraling de vorming van poreuze metalen. De onderzoeksgroep van dr. Daria Andreeva ontwikkelde een effectieve en kostenefficiënte, ultrasoon ondersteunde procedure om mesoporeuze metalen te produceren.

Poreuze metalen wekken grote belangstelling in uiteenlopende technologische sectoren vanwege hun uitstekende eigenschappen, zoals hun corrosiebestendigheid, mechanische sterkte en vermogen om extreem hoge temperaturen te weerstaan. Deze eigenschappen berusten op de nanogestructureerde oppervlakken met poriën die slechts enkele nanometers in diameter zijn. Mesoporeuze materialen worden gekenmerkt door poriegroottes tussen 2 en 50 nm, terwijl microporeuze materialen een poriegrootte van minder dan 2nm hebben. Een internationaal onderzoeksteam, waartoe ook dr. Daria Andreeva van de Universiteit van Bayreuth (afdeling Fysische Chemie II) behoort, heeft met succes een krachtige en kostenefficiënte ultrasone procedure ontwikkeld voor het ontwerpen en produceren van dergelijke metaalstructuren.

In dit proces worden metalen in een waterige oplossing zodanig behandeld dat zich holtes van enkele nanometers vormen, op nauwkeurig gedefinieerde onderlinge afstanden. Voor deze op maat gemaakte structuren bestaat al een breed spectrum aan innovatieve toepassingen, waaronder luchtzuivering, energieopslag en medische technologie. Bijzonder veelbelovend is het gebruik van poreuze metalen in nanocomposieten. Dit is een nieuwe klasse composietmaterialen, waarin een zeer fijne matrixstructuur wordt gevuld met deeltjes met een grootte tot 20 nanometer.

De nieuwe techniek maakt gebruik van een proces waarbij ultrasoon gegenereerde bellen ontstaan, dat in de natuurkunde cavitatie wordt genoemd (afgeleid van het Latijnse “cavus” = “hol”). In de scheepvaart wordt dit proces gevreesd vanwege de grote schade die het aan scheepsschroeven en turbines kan veroorzaken. Bij zeer hoge rotatiesnelheden ontstaan namelijk dampbellen onder water. Na korte tijd onder extreem hoge druk storten de bellen naar binnen in, waardoor de metaaloppervlakken vervormen. Het proces van cavitatie kan ook met ultrageluid worden opgewekt. Ultrageluid bestaat uit compressiegolven met frequenties boven het hoorbare bereik (20 kHz) en genereert vacuümbellen in water en waterige oplossingen. Wanneer deze bellen imploderen, ontstaan temperaturen van enkele duizenden graden Celsius en extreem hoge drukken tot 1000 bar.

Het bovenstaande schema toont de effecten van akoestische cavitatie op de modificatie van metaaldeeltjes. Metalen met een laag smeltpunt (MP), zoals zink (Zn), worden volledig geoxideerd; metalen met een hoog smeltpunt, zoals nikkel (Ni) en titanium (Ti), vertonen oppervlaktemodificatie tijdens sonicatie. Aluminium (Al) en magnesium (Mg) vormen mesoporeuze structuren. Edelmetalen zijn bestand tegen ultrasone bestraling vanwege hun stabiliteit tegen oxidatie. De smeltpunten van de metalen worden aangegeven in graden Kelvin (K).

Een nauwkeurige beheersing van dit proces kan leiden tot gerichte nanostructurering van metalen die in een waterige oplossing zijn gesuspendeerd – mits de metalen bepaalde fysische en chemische eigenschappen hebben. Metalen reageren namelijk zeer verschillend wanneer ze aan dergelijke sonicatie worden blootgesteld, zoals dr. Daria Andreeva samen met haar collega’s in Golm, Berlijn en Minsk heeft aangetoond. Bij metalen met een hoge reactiviteit, zoals zink, aluminium en magnesium, wordt geleidelijk een matrixstructuur gevormd, die door een oxidelaag wordt gestabiliseerd. Dit resulteert in poreuze metalen die bijvoorbeeld verder kunnen worden verwerkt in composietmaterialen. Edelmetalen zoals goud, platina, zilver en palladium gedragen zich echter anders. Vanwege hun geringe neiging tot oxidatie zijn ze bestand tegen de ultrasone behandeling en behouden ze hun oorspronkelijke structuren en eigenschappen.

De bovenstaande afbeelding laat zien dat ultrageluid ook kan worden gebruikt om aluminiumlegeringen tegen corrosie te beschermen. Links: De foto van een aluminiumlegering in een sterk corrosieve oplossing, met daaronder een elektronenmicroscopisch beeld van het oppervlak, waarop – door sonicatie – een polyelektrolytlaag is gevormd. Deze laag biedt gedurende 21 dagen bescherming tegen corrosie. Rechts: Dezelfde aluminiumlegering zonder blootstelling aan sonicatie. Het oppervlak is volledig gecorrodeerd.

Het feit dat verschillende metalen op sterk uiteenlopende manieren op sonicatie reageren, kan worden benut voor innovaties in de materiaalkunde. Legeringen kunnen zodanig worden omgezet in nanocomposieten dat deeltjes van het stabielere materiaal worden ingesloten in een poreuze matrix van het minder stabiele metaal. Zo ontstaan zeer grote oppervlakken in een zeer beperkte ruimte, waardoor deze nanocomposieten als katalysatoren kunnen worden gebruikt. Ze bewerkstelligen bijzonder snelle en efficiënte chemische reacties.

Samen met dr. Daria Andreeva hebben de onderzoekers prof. dr. Andreas Fery, dr. Nicolas Pazos-Perez en Jana Schäferhans, eveneens van de afdeling Fysische Chemie II, bijgedragen aan de onderzoeksresultaten. Samen met hun collega’s van het Max Planck Institute of Colloids and Interfaces in Golm, het Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH en de Wit-Russische Staatsuniversiteit in Minsk hebben ze hun nieuwste resultaten online gepubliceerd in het tijdschrift “Nanoscale”.