Nano-structurare cu ultrasunete pentru a produce metale poroase
Sonochimie este un instrument foarte eficient pentru ingineria și funcționalizarea nanomaterialelor. În metalurgie, iradierea cu ultrasunete promovează formarea metalelor poroase. Grupul de cercetare al Dr. Daria Andreeva a dezvoltat o procedură eficientă și rentabilă asistată cu ultrasunete pentru a produce metale mezoporoase.
Metalele poroase atrag un interes ridicat al ramurilor tehnologice multiple datorită caracteristicilor lor remarcabile, cum ar fi rezistența la coroziune, rezistența mecanică și capacitatea de a rezista la temperaturi extrem de ridicate. Aceste proprietăți se bazează pe suprafețele nanostructurate cu pori care măsoară doar câțiva nanometri în diametru. Materialele mezoporoase sunt caracterizate prin dimensiuni ale posturii între 2 și 50 nm, în timp ce materialul microporos are o dimensiune a porilor mai mică de 2nm. O echipă internațională de cercetare, inclusiv Dr. Daria Andreeva de la Universitatea Bayreuth (Departamentul de Chimie Fizică II), a dezvoltat cu succes o procedură cu ultrasunete grea și rentabilă pentru proiectarea și producerea unor astfel de structuri metalice.
În acest proces, metalele sunt tratate într-o soluție apoasă în așa fel încât cavitățile de câțiva nanometri să evolueze, în goluri precis definite. Pentru aceste structuri personalizate, există deja un spectru larg de aplicații inovatoare, inclusiv curățarea aerului, stocarea energiei sau tehnologia medicală. Este deosebit de promițătoare utilizarea metalelor poroase în nanocompozite. Acestea sunt o nouă clasă de materiale compozite, în care o structură matriceală foarte fină este umplută cu particule cu dimensiuni de până la 20 nanometri.
Schema de mai sus arată efectele cavitației acustice asupra modificării particulelor metalice. Metalele cu un punct de topire scăzut (MP) ca zincul (Zn) sunt complet oxidate; metalele cu un punct de topire ridicat, cum ar fi nichelul (Ni) și titanul (Ti), prezintă modificări ale suprafeței sub sonicare. Aluminiul (Al) și magneziul (Mg) formează structuri mezoporoase. Metalele Nobel sunt rezistente la iradierea cu ultrasunete datorită stabilității lor împotriva oxidării. Punctele de topire ale metalelor sunt specificate în grade Kelvin (K).
Imaginea de mai sus arată că ultrasunetele pot fi, de asemenea, utilizate pentru protecția aliajelor de aluminiu împotriva coroziunii. În stânga: Fotografia unui aliaj de aluminiu într-o soluție foarte corozivă, sub o imagine electomicroscopică a suprafeței, pe care – datorită sonicare – s-a format un strat de polielectolitic. Această acoperire oferă o protecție împotriva coroziunii timp de 21 de zile. În dreapta: Același aliaj de aluminiu fără a fi fost expus la sonicare. Suprafața este complet corodată.
Faptul că diferite metale reacționează în moduri dramatic diferite la sonicare poate fi exploatat pentru inovații în știința materialelor. Aliajele pot fi transformate astfel încât să devină nanocompozite în care particulele materialului mai stabil sunt învelite într-o matrice poroasă a metalului mai puțin stabil. Astfel, apar suprafețe foarte mari într-un spațiu foarte limitat, ceea ce permite utilizarea acestor nanocompozite drept catalizatori. Acestea afectează reacții chimice deosebit de rapide și eficiente.
Împreună cu Dr. Daria Andreeva, cercetătorii Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez și Jana Schäferhans, de asemenea, de la departamentul de Chimie Fizică II, au contribuit la rezultatele cercetării. Împreună cu colegii lor de la Institutul Max Planck de coloizi și interfețe din Golm, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH și Universitatea de Stat din Belarus din Minsk, au publicat cele mai recente rezultate online în revistă “Scară nanometrică”.
Referință:
- Skorb, Ekaterina V .; Fix, Dimitri; Shchukin, Dmitri G .; Möhwald, Helmuth; Sviridov, Dmitri V .; Mousa, Rami; Wanderka, Nelia; Schäferhans, Jana; Pazos-Perez, Nicolas ; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2011): Formarea sonochimică a bureților metalici. Scară nanometrică – Avans prima 3/3, 2011. 985-993.
- Wißler, Christian (2011): Nanostructurarea extrem de precisă folosind ultrasunete: o nouă procedură de producere a metalelor poroase. Blick in die Forschung. Mitteilungen der Universität Bayreuth 05, 2011.
Pentru informații științifice suplimentare, vă rugăm să contactați: Dr. Daria Andreeva, Departamentul de Chimie Fizică II Universitatea Bayreuth, 95440 Bayreuth, Germania – Telefon: +49 (0) 921 / 55-2750
Adresa de e-mail: daria.andreeva@uni-bayreuth.de
Fapte care merită știute
Omogenizatoare de țesut cu ultrasunete sunt adesea denumite sondă sonicator, lizer sonic, disruptor cu ultrasunete, polizor cu ultrasunete, sono-ruptor, sonifier, dismembrator sonic, perturbator celular, dispersor cu ultrasunete sau dizolvant. Termenii diferiți rezultă din diferitele aplicații care pot fi îndeplinite prin sonicare.
- amestecare
- Topire
- Dispersarea
- dezaglomerare
- frezare umedă
- Degazificare
- Dizolvarea
- Extracție
- Omogenizarea țesuturilor
- Sono-fragmentare
- fermentare
- purificare
- sono-sinteză
- sono-cataliză
- Precipitaţii
- Sono-Leșiere
- Înjosire