Nanostructurare cu ultrasunete pentru producerea metalelor poroase

Sonochimia este un instrument foarte eficient pentru ingineria și funcționalizarea nanomaterialelor. În metalurgie, iradierea cu ultrasunete favorizează formarea metalelor poroase. Grupul de cercetare al Dr. Daria Andreeva a dezvoltat o procedură asistată de ultrasunete, eficientă și rentabilă, pentru producerea metalelor mezoporoase.

Metalele poroase suscită un interes ridicat în numeroase ramuri tehnologice datorită caracteristicilor lor remarcabile, precum 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 se caracterizează prin dimensiuni ale porilor între 2 și 50 nm, în timp ce materialele microporoase au o dimensiune a porilor mai mică de 2nm. O echipă internațională de cercetare, din care face parte Dr. Daria Andreeva de la Universitatea din Bayreuth (Departamentul de Chimie Fizică II), a dezvoltat cu succes o procedură cu ultrasunete robustă și rentabilă pentru proiectarea și producerea unor astfel de structuri metalice.

În cadrul acestui proces, metalele sunt tratate într-o soluție apoasă astfel încât să se formeze cavități de câțiva nanometri, la intervale precis definite. Pentru aceste structuri create la comandă există deja un spectru larg de aplicații inovatoare, inclusiv purificarea aerului, stocarea energiei sau tehnologia medicală. Deosebit de promițătoare este utilizarea metalelor poroase în nanocompozite. Acestea reprezintă o nouă clasă de materiale compozite, în care o structură de matrice foarte fină este umplută cu particule cu dimensiuni de până la 20 de nanometri.

Noua tehnică utilizează un proces de formare a bulelor generate cu ultrasunete, denumit în fizică cavitație (derivat din lat. „cavus” = „gol”). În navigație, acest proces este temut din cauza daunelor mari pe care le poate provoca elicelor navelor și turbinelor. Aceasta deoarece la viteze de rotație foarte mari se formează sub apă bule de vapori. După o scurtă perioadă sub presiune extrem de ridicată, bulele colapsează spre interior, deformând astfel suprafețele metalice. Procesul de cavitație poate fi generat și cu ajutorul ultrasunetelor. Ultrasunetele constau din unde de compresie cu frecvențe peste domeniul audibil (20 kHz) și generează bule de vid în apă și în soluții apoase. La implozia acestor bule apar temperaturi de câteva mii de grade centigrade și presiuni extrem de ridicate, de până la 1000 bar.

Schema de mai sus prezintă efectele cavitației acustice asupra modificării particulelor metalice. Metalele cu punct de topire scăzut (MP), precum zincul (Zn), sunt complet oxidate; metalele cu punct de topire ridicat, precum nichelul (Ni) și titanul (Ti), prezintă o modificare a suprafeței sub sonicare. Aluminiul (Al) și magneziul (Mg) formează structuri mezoporoase. Metalele nobile sunt rezistente la iradierea cu ultrasunete datorită stabilității lor la oxidare. Punctele de topire ale metalelor sunt indicate în grade Kelvin (K).

Un control precis al acestui proces poate conduce la o nanostructurare țintită a metalelor aflate în suspensie într-o soluție apoasă – cu condiția ca metalele să prezinte anumite caracteristici fizice și chimice. Căci metalele reacționează foarte diferit atunci când sunt expuse unei astfel de sonicări, după cum a demonstrat Dr. Daria Andreeva împreună cu colegii săi din Golm, Berlin și Minsk. La metalele cu reactivitate ridicată, precum zincul, aluminiul și magneziul, se formează treptat o structură de matrice, stabilizată de un strat de oxid. Rezultă astfel metale poroase care pot fi, de exemplu, prelucrate ulterior în materiale compozite. Metalele nobile, precum aurul, platina, argintul și paladiul, se comportă însă diferit. Datorită tendinței lor scăzute de oxidare, acestea rezistă tratamentului cu ultrasunete și își păstrează structurile și proprietățile inițiale.

Imaginea de mai sus arată că ultrasunetele pot fi utilizate și pentru protecția aliajelor de aluminiu împotriva coroziunii. În stânga: fotografia unui aliaj de aluminiu într-o soluție puternic corozivă, iar dedesubt o imagine de microscopie electronică a suprafeței, pe care – datorită sonicării – s-a format un strat de polielectrolit. Acest strat oferă protecție împotriva coroziunii timp de 21 de zile. În dreapta: același aliaj de aluminiu, fără a fi fost expus sonicării. Suprafața este complet corodată.

Faptul că diferitele metale reacționează în moduri radical diferite la sonicare poate fi exploatat pentru inovații în știința materialelor. Aliajele pot fi transformate astfel în nanocompozite în care particulele materialului mai stabil sunt înglobate 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 determină reacții chimice deosebit de rapide și eficiente.

Împreună cu Dr. Daria Andreeva, la rezultatele cercetării au contribuit cercetătorii Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez și Jana Schäferhans, tot de la Departamentul de Chimie Fizică II. Împreună cu colegii lor de la Institutul Max Planck pentru Coloizi și Interfețe din Golm, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH și Universitatea de Stat din Belarus din Minsk, aceștia și-au publicat cele mai recente rezultate online în revista „Nanoscale”.