Ultrasone nanostructurering om poreuze metalen te produceren

sonochemie is een zeer effectief hulpmiddel voor de engineering 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 ultrasone procedure om mesoporeuze metalen te produceren.

Poreuze metalen trekken veel belangstelling van diverse technologische takken vanwege hun uitstekende eigenschappen zoals corrosiebestendigheid, mechanische sterkte en het vermogen om extreem hoge temperaturen te weerstaan. Deze eigenschappen zijn gebaseerd op nanogestructureerde oppervlakken met poriën met een diameter van slechts enkele nanometers. Mesoporeuze materialen worden gekenmerkt door een poriegrootte tussen 2 en 50 nm, terwijl microporeuze materialen een poriegrootte van minder dan 2 nm hebben. Een internationaal onderzoeksteam waaronder Dr. Daria Andreeva van de Universiteit van Bayreuth (Departement Fysische Chemie II) heeft met succes een zware en kostenefficiënte ultrasone procedure ontwikkeld voor het ontwerp en de productie van dergelijke metaalstructuren.

In dit proces worden metalen in een waterige oplossing op zo'n manier behandeld dat er holtes van een paar nanometer ontstaan, in precies gedefinieerde openingen. Voor deze op maat gemaakte structuren bestaat al een breed spectrum aan innovatieve toepassingen, waaronder luchtreiniging, energieopslag of medische technologie. Bijzonder veelbelovend is het gebruik van poreuze metalen in nanocomposieten. Dit is een nieuwe klasse composietmaterialen waarin een zeer fijne matrixstructuur is gevuld met deeltjes die tot 20 nanometer groot zijn.

De nieuwe techniek maakt gebruik van een proces van ultrasonisch gegenereerde belvorming, dat in de natuurkunde cavitatie wordt genoemd (afgeleid van lat. “cavus” = “hol”). In de zeevaart wordt dit proces gevreesd vanwege de grote schade die het kan veroorzaken aan scheepsschroeven en turbines. Want bij zeer hoge draaisnelheden vormen zich stoombellen onder water. Na een korte periode onder extreem hoge druk klappen de bellen naar binnen, waardoor de metalen oppervlakken vervormen. Het proces van cavitatie kan ook worden gegenereerd met behulp van ultrageluid. Ultrasoon geluid bestaat uit drukgolven 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 onder sonicatie. Aluminium (Al) en magnesium (Mg) vormen mesoporeuze structuren. Nobelmetalen zijn bestand tegen ultrasone bestraling vanwege hun stabiliteit tegen oxidatie. De smeltpunten van de metalen worden gespecificeerd in graden Kelvin (K).

Een nauwkeurige controle van dit proces kan leiden tot een gerichte nanostructurering van metalen in suspensie in een waterige oplossing - gegeven bepaalde fysische en chemische eigenschappen van de metalen. Want metalen reageren heel verschillend wanneer ze aan een dergelijke sonicatie worden blootgesteld, zoals Dr. Daria Andreeva samen met haar collega's in Golm, Berlijn en Minsk heeft aangetoond. In metalen met een hoge reactiviteit, zoals zink, aluminium en magnesium, wordt geleidelijk een matrixstructuur gevormd, gestabiliseerd door een oxidelaag. Dit resulteert in poreuze metalen die bijvoorbeeld verder verwerkt kunnen worden in composietmaterialen. Edele metalen zoals goud, platina, zilver en palladium gedragen zich echter anders. Door hun lage oxidatieneiging weerstaan ze de ultrasone behandeling en behouden ze hun oorspronkelijke structuren en eigenschappen.

De afbeelding hierboven laat zien dat ultrageluid ook kan worden gebruikt voor de bescherming van aluminiumlegeringen tegen corrosie. Links: De foto van een aluminiumlegering in een sterk corrosieve oplossing, daaronder een elektomicroscopisch beeld van het oppervlak, waarop - als gevolg van sonicatie - een polyelectolyte coating is gevormd. Deze coating biedt gedurende 21 dagen bescherming tegen corrosie. Rechts: Dezelfde aluminiumlegering zonder te zijn blootgesteld aan sonicatie. Het oppervlak is volledig gecorrodeerd.

Het feit dat verschillende metalen op dramatisch verschillende manieren reageren op sonicatie kan worden benut voor innovaties in de materiaalkunde. Legeringen kunnen op zo'n manier worden omgezet in nanocomposieten waarin deeltjes van het stabielere materiaal zijn ingekapseld in een poreuze matrix van het minder stabiele metaal. Op die manier ontstaan zeer grote oppervlakten 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 Instituut voor Colloïden en 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 “Nanoschaal”.