Ultradźwiękowa nanostrukturyzacja do produkcji porowatych metali

przyspieszenie reakcji chemycznych (sonochemia). jest bardzo skutecznym narzędziem do inżynierii i funkcjonalizacji nanomateriałów. W metalurgii promieniowanie ultradźwiękowe sprzyja tworzeniu się porowatych metali. Grupa badawcza dr Darii Andreevy opracowała skuteczną i opłacalną procedurę wspomaganą ultradźwiękami do produkcji mezoporowatych metali.

Metale porowate cieszą się dużym zainteresowaniem różnych gałęzi technologii ze względu na ich wyjątkowe właściwości, takie jak odporność na korozję, wytrzymałość mechaniczna i zdolność do wytrzymywania ekstremalnie wysokich temperatur. Właściwości te opierają się na nanostrukturalnych powierzchniach z porami o średnicy zaledwie kilku nanometrów. Materiały mezoporowate charakteryzują się rozmiarami porów od 2 do 50 nm, podczas gdy materiały mikroporowate mają rozmiar porów mniejszy niż 2 nm. Międzynarodowy zespół badawczy, w tym dr Daria Andreeva z Uniwersytetu w Bayreuth (Wydział Chemii Fizycznej II), z powodzeniem opracował wytrzymałą i opłacalną procedurę ultradźwiękową do projektowania i produkcji takich struktur metalicznych.

W tym procesie metale są poddawane obróbce w roztworze wodnym w taki sposób, że powstają wnęki o wielkości kilku nanometrów, w precyzyjnie zdefiniowanych szczelinach. Dla tych dostosowanych do potrzeb struktur istnieje już szerokie spektrum innowacyjnych zastosowań, w tym oczyszczanie powietrza, magazynowanie energii lub technologia medyczna. Szczególnie obiecujące jest wykorzystanie porowatych metali w nanokompozytach. Jest to nowa klasa materiałów kompozytowych, w których bardzo drobna struktura matrycy jest wypełniona cząstkami o wielkości do 20 nanometrów.

Nowa technika wykorzystuje proces ultradźwiękowego tworzenia pęcherzyków, który w fizyce określany jest mianem kawitacji (pochodzi od łac. “kawus” = “zagłębienie”). W żegludze morskiej obawia się tego procesu ze względu na duże uszkodzenia, jakie może on spowodować w śrubach napędowych i turbinach statków. Przy bardzo wysokich prędkościach obrotowych pod wodą tworzą się pęcherzyki pary. Po krótkim czasie pod ekstremalnie wysokim ciśnieniem pęcherzyki zapadają się do wewnątrz, deformując w ten sposób metalowe powierzchnie. Proces kawitacja mogą być również generowane za pomocą ultradźwięków. Ultradźwięki składają się z fal ściskających o częstotliwościach powyżej zakresu słyszalnego (20 kHz) i generują pęcherzyki próżniowe w wodzie i roztworach wodnych. Podczas implozji pęcherzyków powstają temperatury rzędu kilku tysięcy stopni Celsjusza i ekstremalnie wysokie ciśnienia do 1000 barów.

Powyższy schemat pokazuje wpływ kawitacji akustycznej na modyfikację cząstek metalu. Metale o niskiej temperaturze topnienia (MP), takie jak cynk (Zn), są całkowicie utlenione; metale o wysokiej temperaturze topnienia, takie jak nikiel (Ni) i tytan (Ti), wykazują modyfikację powierzchni pod wpływem sonikacji. Aluminium (Al) i magnez (Mg) tworzą struktury mezoporowate. Metale szlachetne są odporne na promieniowanie ultradźwiękowe ze względu na ich stabilność przed utlenianiem. Temperatury topnienia metali są określone w stopniach Kelvina (K).

Precyzyjna kontrola tego procesu może prowadzić do ukierunkowanej nanostrukturyzacji metali zawieszonych w roztworze wodnym - biorąc pod uwagę pewne właściwości fizyczne i chemiczne metali. Jak wykazała dr Daria Andreeva wraz z kolegami z Golm, Berlina i Mińska, metale reagują w bardzo różny sposób, gdy są narażone na taką sonikację. W metalach o wysokiej reaktywności, takich jak cynk, aluminium i magnez, stopniowo tworzy się struktura matrycy, stabilizowana przez powłokę tlenkową. W ten sposób powstają porowate metale, które mogą być dalej przetwarzane w materiały kompozytowe. Metale szlachetne, takie jak złoto, platyna, srebro i pallad, zachowują się jednak inaczej. Ze względu na ich niską tendencję do utleniania, są one odporne na obróbkę ultradźwiękową i zachowują swoje początkowe struktury i właściwości.

Powyższe zdjęcie pokazuje, że ultradźwięki mogą być również wykorzystywane do ochrony stopów aluminium przed korozją. Po lewej stronie: Zdjęcie stopu aluminium w silnie korozyjnym roztworze, poniżej elektomikroskopowy obraz powierzchni, na której - w wyniku sonikacji - utworzyła się powłoka polielektolitowa. Powłoka ta zapewnia ochronę przed korozją przez 21 dni. Po prawej: Ten sam stop aluminium nie poddany działaniu sonikacji. Powierzchnia jest całkowicie skorodowana.

Fakt, że różne metale reagują w dramatycznie różny sposób na sonikację, można wykorzystać do innowacji w materiałoznawstwie. Stopy mogą być w ten sposób przekształcane w nanokompozyty, w których cząstki bardziej stabilnego materiału są zamknięte w porowatej matrycy mniej stabilnego metalu. W ten sposób powstają bardzo duże powierzchnie w bardzo ograniczonej przestrzeni, co pozwala na wykorzystanie tych nanokompozytów jako katalizatorów. Powodują one szczególnie szybkie i wydajne reakcje chemiczne.

Wraz z dr Darią Andreevą, naukowcy prof. dr Andreas Fery, dr Nicolas Pazos-Perez i Jana Schäferhans, również z Wydziału Chemii Fizycznej II, przyczynili się do wyników badań. Wraz z kolegami z Max Planck Institute of Colloids and Interfaces w Golm, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH i Białoruskiego Uniwersytetu Państwowego w Mińsku opublikowali swoje najnowsze wyniki online w czasopiśmie “Nanoskala”.