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-sónica promove a formação de metais porosos. O grupo de investigação da Dra. Daria Andreeva desenvolveu um procedimento eficaz e económico assistido por ultra-sons para produzir metais mesoporosos.

Os metais porosos despertam grande interesse em vários sectores tecnológicos devido às suas caraterísticas excepcionais, como a resistência à corrosão, a resistência mecânica e a capacidade de suportar temperaturas extremamente elevadas. Estas propriedades baseiam-se em superfícies nanoestruturadas com poros de apenas alguns nanómetros de diâmetro. Os materiais mesoporosos são caracterizados por tamanhos de poros entre 2 e 50 nm, enquanto os materiais microporosos têm um tamanho de poro inferior a 2nm. Uma equipa de investigação internacional, incluindo a Dra. Daria Andreeva da Universidade de Bayreuth (Departamento de Físico-Química II), desenvolveu com sucesso um procedimento de ultra-sons resistente e económico para a conceção e produção de tais estruturas metálicas.

Neste processo, os metais são tratados numa solução aquosa de tal forma que se desenvolvem cavidades de alguns nanómetros, em fendas definidas com precisão. Para estas estruturas feitas à medida, existe já um vasto espetro de aplicações inovadoras, incluindo a limpeza do ar, o armazenamento de energia ou a tecnologia médica. Particularmente prometedora é a utilização de metais porosos em nanocompósitos. Trata-se de uma nova classe de materiais compósitos, em que uma estrutura de matriz muito fina é preenchida com partículas com dimensões até 20 nanómetros.

A nova técnica utiliza um processo de formação de bolhas gerado por ultra-sons, que é denominado cavitação em física (derivado do latim "cavitation"). “cavo” = “oco”). Na navegação marítima, este processo é temido devido aos grandes danos que pode causar nas hélices e turbinas dos navios. Com velocidades de rotação muito elevadas, formam-se bolhas de vapor debaixo de água. Após um curto período de tempo sob pressão extremamente elevada, as bolhas colapsam para o interior, deformando assim as superfícies metálicas. O processo de cavitação também podem ser gerados por ultra-sons. Os ultra-sons são compostos 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 um ponto de fusão baixo (MP), como o zinco (Zn), são completamente oxidados; os metais com um ponto de fusão elevado, como o níquel (Ni) e o titânio (Ti), apresentam uma modificação da superfície sob sonicação. O alumínio (Al) e o magnésio (Mg) formam estruturas mesoporosas. Os metais Nobel são resistentes à irradiação de ultra-sons devido à sua estabilidade contra a oxidação. Os pontos de fusão dos metais são especificados em graus Kelvin (K).

Um controlo preciso deste processo pode levar a uma nanoestruturação orientada de metais suspensos numa solução aquosa - dadas certas caraterísticas físicas e químicas dos metais. Com efeito, os metais reagem de forma muito diferente quando expostos a essa 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 matricial, estabilizada por um revestimento de óxido. Isto resulta em metais porosos que podem, por exemplo, ser posteriormente transformados 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 por ultra-sons e mantêm as suas estruturas e propriedades iniciais.

A imagem acima mostra que os ultra-sons também podem ser utilizados para a proteção de ligas de alumínio contra a corrosão. À esquerda: A fotografia de uma liga de alumínio numa solução altamente corrosiva, abaixo uma imagem electomicroscópica da superfície, na qual - devido à sonicação - se formou um revestimento de polielectrólito. Este revestimento oferece uma 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 dramaticamente diferentes à sonicação pode ser explorado para inovações na ciência dos materiais. As ligas podem ser convertidas em nanocompósitos, nos quais as partículas do material mais estável são envolvidas numa matriz porosa do metal menos estável. Surgem assim áreas de superfície muito grandes num espaço muito limitado, o que permite que estes nanocompósitos sejam utilizados como catalisadores. Estes catalisadores provocam reacções químicas particularmente rápidas e eficazes.

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. Juntamente com os seus colegas do Instituto Max Planck de Colóides e Interfaces em Golm, do Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH e da Universidade Estatal da Bielorrússia em Minsk, publicaram os seus últimos resultados online na revista “Nanoescala”.