Nano-Estruturação Ultra-sônico para Produção de Metais Porosos

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

Os metais porosos atraem grande interesse de diversos ramos tecnológicos devido às suas características marcantes, como resistência à corrosão, resistência mecânica e capacidade de suportar temperaturas extremamente altas. Essas propriedades são baseadas nas superfícies nanoestruturadas com poros medindo apenas alguns nanômetros de diâmetro. Os materiais mesoporosos são caracterizados por tamanhos de pose entre 2 a 50 nm, enquanto os materiais microporosos têm um tamanho de poro inferior a 2 nm. Uma equipe de pesquisa internacional, incluindo a Dra. Daria Andreeva, da Universidade de Bayreuth (Departamento de Físico-Química II), desenvolveu com sucesso um procedimento de ultrassom pesado e econômico para o projeto e produção de tais estruturas metálicas.

Nesse processo, os metais são tratados em uma solução aquosa de tal forma que cavidades de alguns nanômetros evoluem, em lacunas precisamente definidas. Para essas estruturas feitas sob medida, já existe um amplo espectro de aplicações inovadoras, incluindo limpeza de ar, armazenamento de energia ou tecnologia médica. Particularmente promissor é o uso de metais porosos em nanocompósitos. Trata-se de uma nova classe de materiais compósitos, na qual uma estrutura de matriz muito fina é preenchida com partículas que variam em tamanho até 20 nanômetros.

A nova técnica utiliza um processo de formação de bolhas geradas por ultrassom, que é denominado cavitação em física (derivado de lat. “Cavus” = “oco”). Na navegação, esse processo é temido devido aos grandes danos que pode causar às hélices e turbinas dos navios. Pois em velocidades de rotação muito altas, bolhas de vapor se formam debaixo d'água. Após um curto período sob pressão extremamente alta, as bolhas colapsam para dentro, deformando assim as superfícies metálicas. O processo de cavitação também pode ser gerado usando ultrassom. O ultrassom é composto por ondas compressivas com frequências acima da faixa audível (20 kHz) e gera bolhas de vácuo em água e soluções aquosas. Temperaturas de vários milhares de graus centígrados e pressões extremamente altas de até 1000 bar surgem quando essas bolhas implodem.

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

Um controle preciso desse processo pode levar a uma nanoestruturação direcionada de metais suspensos em uma solução aquosa – dadas certas características físicas e químicas dos metais. Pois os metais reagem de maneira muito diferente quando expostos a essa sonicação, como a Dra. Daria Andreeva, juntamente com seus colegas em Golm, Berlim e Minsk, mostrou. Em metais com alta reatividade, como zinco, alumínio e magnésio, uma estrutura de matriz é gradualmente formada, estabilizada por um revestimento de óxido. Isso resulta em metais porosos que podem, por exemplo, ser processados posteriormente em materiais compósitos. Metais nobres como ouro, platina, prata e paládio, no entanto, se comportam de maneira diferente. Devido à sua baixa tendência à oxidação, resistem ao tratamento ultrassonográfico e mantêm suas estruturas e propriedades iniciais.

A imagem acima mostra que o ultrassom também pode ser usado para a proteção de ligas de alumínio contra corrosão. À esquerda: A foto de uma liga de alumínio em uma solução altamente corrosiva, abaixo de uma imagem eletromicroscópica da superfície, na qual - devido à sonicação - um revestimento de polieletrólito foi formado. Este revestimento oferece uma proteção contra corrosão por 21 dias. À direita: A mesma liga de alumínio sem ter sido exposta à sonicação. A superfície está completamente corroída.

O fato de diferentes metais reagirem de maneiras dramaticamente diferentes à sonicação pode ser explorado para inovações na ciência dos materiais. As ligas podem ser convertidas de tal forma em nanocompósitos nos quais as partículas do material mais estável são envoltas em uma matriz porosa do metal menos estável. Áreas de superfície muito grandes surgem, portanto, em um espaço muito limitado, o que permite que esses nanocompósitos sejam usados como catalisadores. Eles efetuam reações químicas particularmente rápidas e eficientes.

Juntamente com a Dra. Daria Andreeva, os pesquisadores Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez e Jana Schäferhans, também do departamento de Físico-Química II, contribuíram para os resultados da pesquisa. Com seus colegas do Instituto Max Planck de Colóides e Interfaces em Golm, do Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH e da Universidade Estadual da Bielorrússia em Minsk, eles publicaram seus últimos resultados online na revista “Nanoescala”.