sonochemistry is een zeer effectief instrument voor de engineering en functionalisering van nano-materialen. In de metallurgie, de ultrasone bestraling bevordert de vorming van poreuze metalen. De onderzoeksgroep van Dr. Daria Andreeva ontwikkelde een effectieve en kostenefficiënte-echografie bijgestaan ​​procedure om mesoporeuze metalen te produceren.

Poreuze metalen trekken een hoge interesse van veel verschillende technologische takken aan vanwege hun uitstekende eigenschappen, zoals hun corrosieweerstand, mechanische sterkte en het vermogen om buitengewoon hoge temperaturen te weerstaan. Deze eigenschappen zijn gebaseerd op de nanogestructureerde oppervlakken met poriën die slechts enkele nanometers in diameter meten. Mesoporeuze materialen worden gekenmerkt door posi- ties tussen 2 tot 50 nm, terwijl microporeus materiaal een poriegrootte van minder dan 2 nm heeft. Een internationaal onderzoeksteam, waaronder Dr. Daria Andreeva van Bayreuth University (Department of Physical Chemistry II), heeft met succes een heavy-duty en kostenefficiënte ultrasone procedure ontwikkeld voor het ontwerp en de productie van dergelijke metalen structuren.

Bij deze werkwijze worden metalen behandeld in een waterige oplossing op een zodanige wijze dat holten van enkele nanometers evolueren in nauwkeurig gedefinieerde gaten. Voor deze op maat gemaakte structuren, is er al een breed spectrum van innovatieve toepassingen, zoals luchtreiniging, energieopslag of medische technologie. Veelbelovende is het gebruik van poreuze metalen in nanocomposieten. Dit zijn een nieuwe klasse van composietmaterialen, waarbij een zeer fijne matrixstructuur wordt gevuld met deeltjes die in grootte tot 20 nanometer.

De nieuwe techniek maakt gebruik van een werkwijze van ultrasoon gegenereerde belvorming, die wordt aangeduid als cavitatie in fysica (afgeleid van lat. “holte” = “hol”). In de zeevaart wordt dit proces gevreesd vanwege de grote schade kan veroorzaken aan scheepsschroeven en turbines. Voor bij zeer hoge toerentallen, stoom belletjes onder water. Na een korte periode onder extreem hoge druk de bellen storten binnen, waardoor de metalen oppervlakken vervormen. Het proces van cavitatie kunnen ook worden gegenereerd met behulp van ultrageluid. Ultrasound bestaat uit drukgolven frequenties boven het hoorbare gebied (20 kHz) genereert vacuümbelletjes in water en waterige oplossingen. Temperaturen van enkele duizenden graden Celsius en extreem hoge druk tot 1000 bar ontstaan ​​wanneer deze imploderen.

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

Een nauwkeurige regeling van dit proces kan leiden tot een gerichte nanostructurering van metalen gesuspendeerd in een waterige oplossing - gegeven bepaalde fysische en chemische eigenschappen van de metalen. Voor metalen reageren heel anders bij blootstelling aan dergelijke ultrasoonapparaat, 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 oxidebekleding. Dit resulteert in poreuze metalen die bijvoorbeeld verder kunnen worden verwerkt in composietmaterialen. Edele metalen zoals goud, platina, zilver en palladium gedragen zich echter anders. Vanwege hun lage neiging tot oxidatie weerstaan ​​ze de ultrasone behandeling en behouden ze hun initiële structuren en eigenschappen.

De bovenstaande foto laat zien dat ultrageluid kan ook worden gebruikt voor de bescherming van aluminiumlegeringen tegen corrosie. Links: De foto van een aluminiumlegering in een sterk corrosieve oplossing onder een electomicroscopic afbeelding van het oppervlak, waarop - vanwege sonicatie - een polyelectolyte bekleding is gevormd. Deze coating biedt een bescherming tegen corrosie gedurende 21 dagen. Rechts: Dezelfde aluminiumlegering zonder blootgesteld aan sonicatie. Het oppervlak volledig gecorrodeerd.

Het feit dat verschillende metalen op dramatisch verschillende manieren reageren op ultrasoonapparaat kan worden gebruikt voor innovaties in de materiaalkunde. Legeringen kunnen op een dergelijke manier worden omgezet in nanocomposieten waarin deeltjes van het meer stabiele materiaal zijn ingekapseld in een poreuze matrix van het minder stabiele metaal. Zeer grote oppervlakken ontstaan ​​dus in een zeer beperkte ruimte, waardoor deze nanocomposieten als katalysatoren kunnen worden gebruikt. Ze zorgen voor bijzonder snelle en efficiënte chemische reacties.

Samen met Dr. Daria Andreeva, de onderzoekers Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez en Jana Schäferhans, ook van de afdeling Fysische Chemie II, droegen bij aan de onderzoeksresultaten. Met hun collega's van het Max Planck Instituut van colloïden en interfaces in Golm, het Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH en de Wit-Russische State University in Minsk, hebben ze hun meest recente resultaten online gepubliceerd in het tijdschrift “nanoschaal”.