Nano-Estruturação Ultra-sônico para Produção de Metais Porosos

sonoquímica é uma ferramenta muito eficaz para a engenharia e funcionalização de nano materiais. Na metalurgia, a irradiação ultra-sônica promove a formação de metais porosos. O grupo de pesquisa do Dr. Daria Andreeva desenvolveu um procedimento assistido por ultra-som efetivo e econômico para produzir metais mesoporosos.

Os metais porosos atraem o interesse dos múltiplos ramos tecnológicos devido às suas características notáveis, como a resistência à corrosão, a resistência mecânica e a capacidade de suportar temperaturas extremamente elevadas. Essas propriedades são baseadas em superfícies nanoestruturadas com poros que medem apenas alguns nanômetros de diâmetro. Os materiais mesoporosos são caracterizados por tamanhos de pose entre 2 a 50 nm, enquanto o material microporoso tem um tamanho de poro inferior a 2nm. Uma equipe de pesquisa internacional, incluindo a Daria Andreeva da Universidade de Bayreuth (Departamento de Química Física II), desenvolveu com sucesso um procedimento de ultra-som pesado e econômico para o projeto e produção de tais estruturas metálicas.

Neste processo, os metais são tratados de uma solução aquosa de tal maneira que as cavidades de alguns nanómetros evoluir, em intervalos definidos com precisão. Por estas estruturas feitas à medida, já existe um amplo espectro de aplicações inovadoras, incluindo a limpeza de ar, armazenamento de energia ou tecnologia médica. Particularmente promissora é a utilização de metais porosos em nanocompósitos. Estes são uma nova classe de materiais compósitos, em que uma estrutura de matriz muito fino é preenchido com partículas que variam em tamanho até 20 nanómetros.

O UIP1000hd é um dispositivo de ultra-sons poderoso, o qual é utilizado para engenharia de materiais, estruturação nano e modificação de partícula. (Clique para ampliar!)

Dr. D. Andreeva demonstra o processo de sonicação de partículas sólidas em suspensão aquosa, utilizando o UIP1000hd ultrasonicator (20 kHz, 1000W). Imagem por Ch. Wissler

A nova técnica utiliza um processo de formação de bolhas de ultra-sonicamente gerada, o que é denominado de cavitação na física (derivado de lat. “cavo” = “oco”). Em navegante, este processo é temido devido à grande danos que podem causar à hélices de navios e turbinas. Para a velocidades muito altas de rotação, bolhas de vapor formar debaixo de água. Após um curto período, sob uma pressão extremamente elevada que as bolhas em colapso para o interior, deformando assim as superfícies metálicas. O processo de cavitação Também pode ser gerado usando ultra-som. O ultra-som é composto por ondas de compressão com frequências acima da gama audível (20 kHz) e gera bolhas de vácuo em água e soluções aquosas. Temperaturas de milhares de graus centígrados pressões e extremamente altas de até 1000 bar surgem quando estas bolhas implodir.

O UIP1000hd dispositivo de ultra-sons tem sido utilizado para a nanoestruturação de metais altamente porosos. (Clique para ampliar!)

Apresentação esquemática dos efeitos de cavitação acústico sobre a modificação das partículas de metal.
Imagem pelo Dr. D. Andreeva

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

Um controle preciso deste processo pode levar a uma nanoestruturação direcionada de metais suspensos em uma solução aquosa - dadas certas características físicas e químicas dos metais. Para os metais reagirem de forma muito diferente quando expostos a essa sonicação, como o Dr. Daria Andreeva junto com seus colegas em Golm, Berlim e Minsk mostraram. Em metais com alta reatividade, como o zinco, o alumínio e o magnésio, uma estrutura de matriz é gradualmente formada, estabilizada por um revestimento de óxido. Isso resulta em metais porosos que, por exemplo, podem ser posteriormente processados ​​em materiais compósitos. Nobres metais como ouro, platina, prata e paládio, no entanto, se comportam de forma diferente. Devido à sua baixa tendência de oxidação, eles resistem ao tratamento com ultra-som e mantêm suas estruturas e propriedades iniciais.

Por ultra-sons, um revestimento de polielectrólito pode ser formado que protege contra a corrosão. (Clique para ampliar!)

protecção de ultra-sons de ligas de alumínio contra a corrosão. [© Skorb et al. 2011]

O quadro acima mostra que a ultra-sons também podem ser utilizados para a protecção de ligas de alumínio contra a corrosão. Do lado esquerdo: A foto de uma liga de alumínio em uma solução altamente corrosivo, abaixo de uma imagem electomicroscopic da superfície, sobre a qual - devido a sonicação - foi formado um revestimento polyelectolyte. Este revestimento oferece uma protecção contra a corrosão durante 21 dias. Do lado direito: A mesma liga de alumínio, sem ter sido exposta a ultra-sons. A superfície é completamente corroídos.

O fato de diferentes metais reagirem de formas dramaticamente diferentes para a sonicação pode ser explorado para inovações na ciência dos materiais. As ligas podem ser convertidas de maneira a nanocompositos em que as partículas do material mais estável são encapsuladas em uma matriz porosa do metal menos estável. As superfícies muito grandes, portanto, surgem em espaço muito limitado, o que permite que esses nanocompósitos sejam usados ​​como catalisadores. Eles afetam reações químicas particularmente rápidas e eficientes.

Juntamente com Dr. Daria Andreeva, os pesquisadores Prof. Dr. Andreas FERY, Dr. Nicolas Pazos-Perez e Jana Schäferhans, também do departamento de Físico-Química II, contribuiu para os resultados da investigação. Com os seus colegas no Instituto Max Planck de Colloids e Interfaces em Golm, a Helmholtz-Zentrum für Berlin Materialien und Energie GmbH e da Universidade do Estado bielorrusso em Minsk, eles publicaram seus resultados mais recentes online na revista “nanoscale”.

Hielscher's ultrasonicator UIP1000hd was successfully used for the formation of mesoporous metals. (Click to enlarge!)

processador ultra UIP1000hd para Nano-Estruturação de Metais

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Referência:

  • 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): formação sonoquímicos de esponjas de metal. nanoscale – Avance primeira 3/3, 2011. 985-993.
  • Wissler, Christian (2011): nanoestruturação altamente preciso usando o ultra-som: novo procedimento para produzir metais porosos. Olhe para a pesquisa. Comunicações da Universidade de Bayreuth 05. 2011

Para mais informação científica, entre em contato com: Dr. Daria Andreeva, Departamento da Universidade de Bayreuth Físico-Química II, 95440 Bayreuth, Alemanha – Telefone: +49 (0) 921 / 55-2750
e-mail: daria.andreeva@uni-bayreuth.de



Fatos, vale a pena conhecer

Homogeneizadores ultra-sônicos são muitas vezes referidos como sonicador de sonda, lyser ultra-sônico, disruptor de ultra-som, moedor ultra-sônico, sono-ruptor, sonifier, sonic dismembrator, disruptor celular, dispersor ultra-sônico ou dissolvente. Os termos diferentes resultam de várias aplicações que podem ser cumpridas pelo sonication.