Nanoestruturação ultrassónica para produzir metais porosos

Sonoquímica é uma ferramenta muito eficaz para a engenharia e a funcionalização de nanomateriais. Na metalurgia, a irradiação ultrassónica promove a formação de metais porosos. O grupo de investigação da Dra. Daria Andreeva desenvolveu um procedimento assistido por ultrassons eficaz e económico para produzir metais mesoporosos.

Os metais porosos despertam grande interesse em diversos ramos tecnológicos devido às suas características excecionais, como a resistência à corrosão, a resistência mecânica e a capacidade de suportar temperaturas extremamente elevadas. Estas propriedades baseiam-se nas superfícies nanoestruturadas com poros de apenas alguns nanómetros de diâmetro. Os materiais mesoporosos caracterizam-se por tamanhos de poro entre 2 e 50 nm, enquanto os materiais microporosos têm um tamanho de poro inferior a 2nm. Uma equipa internacional de investigação, que inclui a Dra. Daria Andreeva da Universidade de Bayreuth (Departamento de Química Física II), desenvolveu com sucesso um procedimento ultrassónico robusto e económico para a conceção e a produção destas estruturas metálicas.

Neste processo, os metais são tratados numa solução aquosa de modo a que se formem cavidades de alguns nanómetros, em intervalos precisamente definidos. Para estas estruturas feitas à medida, existe já um amplo leque de aplicações inovadoras, incluindo a purificação do ar, o armazenamento de energia ou a tecnologia médica. A utilização de metais porosos em nanocompósitos é particularmente promissora. Estes constituem uma nova classe de materiais compósitos, em que uma estrutura de matriz muito fina é preenchida com partículas de tamanhos até 20 nanómetros.

A nova técnica utiliza um processo de formação de bolhas geradas por ultrassons, denominado cavitação em física (derivado do latim “cavus” = “oco”). Na navegação marítima, este processo é temido devido aos grandes danos que pode causar às hélices e às turbinas dos navios. Com efeito, a velocidades de rotação muito elevadas, formam-se bolhas de vapor debaixo de água. Após um curto período sob pressão extremamente elevada, as bolhas colapsam para dentro, deformando assim as superfícies metálicas. O processo de cavitação também pode ser gerado utilizando ultrassons. Os ultrassons são constituídos por ondas de compressão com frequências acima da gama audível (20 kHz) e geram bolhas de vácuo na água e em soluções aquosas. Quando estas bolhas implodem, surgem temperaturas de vários milhares de graus centígrados e pressões extremamente elevadas de até 1000 bar.

O esquema acima mostra os efeitos da cavitação acústica na modificação de partículas metálicas. Os metais com baixo ponto de fusão (MP), como o zinco (Zn), são completamente oxidados; os metais com elevado ponto de fusão, como o níquel (Ni) e o titânio (Ti), apresentam modificações da superfície sob sonicação. O alumínio (Al) e o magnésio (Mg) formam estruturas mesoporosas. Os metais nobres são resistentes à irradiação ultrassónica devido à sua estabilidade face à oxidação. Os pontos de fusão dos metais são indicados em graus Kelvin (K).

Um controlo preciso deste processo pode conduzir a uma nanoestruturação direcionada de metais suspensos numa solução aquosa – dependendo de determinadas características físicas e químicas dos metais. Com efeito, os metais reagem de formas muito diferentes quando expostos a este tipo de sonicação, como demonstrou a Dra. Daria Andreeva juntamente com os seus colegas de Golm, Berlim e Minsk. Nos metais com elevada reatividade, como o zinco, o alumínio e o magnésio, forma-se gradualmente uma estrutura de matriz, estabilizada por um revestimento de óxido. Isto resulta em metais porosos que podem, por exemplo, ser posteriormente processados em materiais compósitos. Os metais nobres, como o ouro, a platina, a prata e o paládio, comportam-se, contudo, de forma diferente. Devido à sua baixa tendência para a oxidação, resistem ao tratamento ultrassónico e conservam as suas estruturas e propriedades iniciais.

A imagem acima mostra que os ultrassons também podem ser utilizados para proteger ligas de alumínio contra a corrosão. À esquerda: a fotografia de uma liga de alumínio numa solução altamente corrosiva e, abaixo, uma imagem de microscopia eletrónica da superfície, na qual – devido à sonicação – se formou um revestimento de polieletrólito. Este revestimento oferece proteção contra a corrosão durante 21 dias. À direita: a mesma liga de alumínio sem ter sido exposta à sonicação. A superfície está completamente corroída.

O facto de diferentes metais reagirem de formas radicalmente diferentes à sonicação pode ser explorado para desenvolver inovações na ciência dos materiais. As ligas podem ser convertidas em nanocompósitos nos quais as partículas do material mais estável ficam envolvidas numa matriz porosa do metal menos estável. Surgem assim áreas de superfície muito grandes num espaço muito limitado, o que permite utilizar estes nanocompósitos como catalisadores. Estes produzem reações químicas particularmente rápidas e eficientes.

Juntamente com a Dra. Daria Andreeva, os investigadores Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez e Jana Schäferhans, também do Departamento de Química Física II, contribuíram para os resultados da investigação. Com os seus colegas do Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces, em Golm, do Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH e da Universidade Estatal da Bielorrússia, em Minsk, publicaram os seus resultados mais recentes online na revista “Nanoscale”.