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.

UIP1000hd to potężne urządzenie ultradźwiękowe, które jest wykorzystywane w inżynierii materiałowej, nanostrukturyzacji i modyfikacji cząstek. (Kliknij, aby powiększyć!)

Dr D. Andreeva demonstruje procedurę sonikacji cząstek stałych w zawiesinie wodnej za pomocą UIP1000hd ultradźwiękowy (20 kHz, 1000 W). Zdjęcie: Ch. Wißler

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.

Urządzenie ultradźwiękowe UIP1000hd zostało użyte do nanostrukturyzacji wysoce porowatych metali. (Kliknij, aby powiększyć!)

Schematyczna prezentacja wpływu kawitacji akustycznej na modyfikację cząstek metalu.
Zdjęcie dr D. Andreeva

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 bardzo różnie pod wpływem sonikacji. 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.

Poprzez sonikację można utworzyć powłokę polielektrolitową, która chroni przed korozją. (Kliknij, aby powiększyć!)

Ultradźwiękowa ochrona stopów aluminium przed korozją. [© Skorb et al. 2011].

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 oraz Białoruskiego Uniwersytetu Państwowego w Mińsku opublikowali swoje najnowsze wyniki online w czasopiśmie “Nanoskala”.

Ultrasonicator UIP1000hd firmy Hielscher został z powodzeniem wykorzystany do tworzenia mezoporowatych metali. (Kliknij, aby powiększyć!)

Procesor ultradźwiękowy UIP1000hd do nanostrukturyzacji metali

Kontakt / Poproś o więcej informacji

Porozmawiaj z nami o swoich wymaganiach dotyczących przetwarzania. Zalecimy najbardziej odpowiednią konfigurację i parametry przetwarzania dla Twojego projektu.





Zwróć uwagę na nasze polityka prywatności.


Odniesienie:

  • Skorb, Ekaterina V.; Fix, Dimitri; Shchukin, Dmitry G.; Möhwald, Helmuth; Sviridov, Dmitry V.; Mousa, Rami; Wanderka, Nelia; Schäferhans, Jana; Pazos-Perez, Nicolas ; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2011): Sonochemiczne tworzenie metalowych gąbek. Nanoscale – Advance first 3/3, 2011. 985-993.
  • Wißler, Christian (2011): Wysoce precyzyjna nanostrukturyzacja za pomocą ultradźwięków: nowa procedura produkcji porowatych metali. Blick in die Forschung. Mitteilungen der Universität Bayreuth 05, 2011.

W celu uzyskania dalszych informacji naukowych prosimy o kontakt: Dr Daria Andreeva, Wydział Chemii Fizycznej II Uniwersytet Bayreuth, 95440 Bayreuth, Niemcy – telefon: +49 (0) 921 / 55-2750
e-mail: daria.andreeva@uni-bayreuth.de



Fakty, które warto znać

Ultradźwiękowe homogenizatory tkanek są często określane jako sonikator soniczny, lizak soniczny, dysruptor ultradźwiękowy, szlifierka ultradźwiękowa, sono-ruptor, sonifikator, dysembrator soniczny, rozbijacz komórek, dyspergator ultradźwiękowy lub rozpuszczalnik. Różne terminy wynikają z różnych zastosowań, które mogą być spełnione przez sonikację.

Z przyjemnością omówimy Twój proces.

Let's get in contact.