Ultradźwiękowe nanostrukturyzowanie w celu wytwarzania metali porowatych

Sonochemia jest bardzo skutecznym narzędziem do projektowania i funkcjonalizacji nanomateriałów. W metalurgii oddziaływanie ultradźwięków sprzyja powstawaniu metali porowatych. Zespół badawczy, którym kieruje dr Daria Andreeva, opracował skuteczną i ekonomiczną metodę wspomaganą ultradźwiękami, służącą do wytwarzania metali mezoporowatych.

Metale porowate wzbudzają duże zainteresowanie w wielu gałęziach techniki ze względu na swoje wyjątkowe właściwości, takie jak odporność na korozję, wytrzymałość mechaniczna i zdolność do wytrzymywania niezwykle wysokich temperatur. Właściwości te wynikają z nanostrukturyzowanych powierzchni z porami o średnicy zaledwie kilku nanometrów. Materiały mezoporowate charakteryzują się rozmiarami porów od 2 do 50 nm, natomiast materiały mikroporowate mają pory o rozmiarze mniejszym niż 2nm. Międzynarodowy zespół badawczy, w którego skład wchodzi dr Daria Andreeva z Uniwersytetu w Bayreuth (Zakład Chemii Fizycznej II), z powodzeniem opracował przystosowaną do intensywnej eksploatacji i ekonomiczną metodę ultradźwiękową do projektowania i wytwarzania takich struktur metalicznych.

W tym procesie metale poddaje się obróbce w roztworze wodnym w taki sposób, aby powstawały w nich wnęki o rozmiarach kilku nanometrów, rozmieszczone w precyzyjnie określonych odstępach. Dla tych struktur, wytwarzanych zgodnie z konkretnymi wymaganiami, istnieje już szerokie spektrum innowacyjnych zastosowań, obejmujących oczyszczanie powietrza, magazynowanie energii czy technikę medyczną. Szczególnie obiecujące jest wykorzystanie metali porowatych w nanokompozytach. Stanowią one nową klasę materiałów kompozytowych, w których bardzo drobna struktura osnowy jest wypełniona cząstkami o rozmiarach do 20 nanometrów.

Nowa technika wykorzystuje proces powstawania pęcherzyków wywoływany ultradźwiękami, który w fizyce określa się mianem kawitacji (od łac. „cavus” = „pusty”). W żegludze proces ten budzi obawy ze względu na poważne uszkodzenia, jakie może powodować w śrubach okrętowych i turbinach. Przy bardzo wysokich prędkościach obrotowych pod wodą powstają bowiem pęcherzyki pary wodnej. Po krótkim czasie, pod wpływem niezwykle wysokiego ciśnienia, pęcherzyki zapadają się do wewnątrz, deformując tym samym powierzchnie metaliczne. Proces kawitacji można również wywołać za pomocą ultradźwięków. Ultradźwięki składają się z fal sprężania o częstotliwościach powyżej zakresu słyszalnego (20 kHz) i wytwarzają pęcherzyki próżniowe w wodzie i roztworach wodnych. Podczas implozji tych pęcherzyków powstają temperatury rzędu kilku tysięcy stopni Celsjusza oraz niezwykle wysokie ciśnienia, sięgające 1000 bar.

Powyższy schemat przedstawia wpływ kawitacji akustycznej na modyfikację cząstek metalu. Metale o niskiej temperaturze topnienia (MP), takie jak cynk (Zn), ulegają całkowitemu utlenieniu; 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 oddziaływanie ultradźwięków ze względu na swoją odporność na utlenianie. Temperatury topnienia metali podano w stopniach Kelvina (K).

Precyzyjna kontrola tego procesu może prowadzić do ukierunkowanego nanostrukturyzowania metali zawieszonych w roztworze wodnym – przy określonych właściwościach fizycznych i chemicznych tych metali. Metale reagują bowiem bardzo różnie na taką sonikację, co wykazała dr Daria Andreeva wraz ze współpracownikami z Golm, Berlina i Mińska. W metalach o wysokiej reaktywności, takich jak cynk, aluminium i magnez, stopniowo powstaje struktura osnowy stabilizowana przez powłokę tlenkową. W rezultacie otrzymuje się metale porowate, które można na przykład dalej przetwarzać na materiały kompozytowe. Metale szlachetne, takie jak złoto, platyna, srebro i pallad, zachowują się jednak inaczej. Ze względu na niewielką skłonność do utleniania są odporne na obróbkę ultradźwiękową i zachowują swoje pierwotne struktury oraz właściwości.

Powyższa ilustracja pokazuje, że ultradźwięki można również wykorzystać do ochrony stopów aluminium przed korozją. Po lewej: zdjęcie stopu aluminium w silnie korozyjnym roztworze, a poniżej obraz powierzchni uzyskany za pomocą mikroskopii elektronowej, na której – wskutek sonikacji – utworzyła się powłoka polielektrolitowa. Powłoka ta zapewnia ochronę przed korozją przez 21 dni. Po prawej: ten sam stop aluminium, którego nie poddano sonikacji. Powierzchnia jest całkowicie skorodowana.

Fakt, że różne metale reagują na sonikację w radykalnie odmienny sposób, można wykorzystać do wprowadzania innowacji w nauce o materiałach. Stopy można w ten sposób przekształcać w nanokompozyty, w których cząstki bardziej stabilnego materiału są otoczone porowatą osnową mniej stabilnego metalu. W bardzo ograniczonej przestrzeni powstają dzięki temu bardzo duże powierzchnie, które umożliwiają wykorzystanie tych nanokompozytów jako katalizatorów. Wywołują one szczególnie szybkie i wydajne reakcje chemiczne.

Wraz z dr Darią Andreevą do uzyskania wyników badań przyczynili się prof. dr Andreas Fery, dr Nicolas Pazos-Perez oraz Jana Schäferhans, również z Zakładu Chemii Fizycznej II. Wraz ze współpracownikami z Instytutu Koloidów i Powierzchni Międzyfazowych im. Maxa Plancka w Golm, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH oraz Białoruskiego Uniwersytetu Państwowego w Mińsku opublikowali swoje najnowsze wyniki online w czasopiśmie „Nanoscale”.