Sonochemistry este un instrument foarte eficient pentru inginerie si functionalizarea materialelor nano. În metalurgie, iradierea cu ultrasunete promovează formarea metalelor poroase. Grupul de cercetare al Dr. Daria Andreeva a dezvoltat o procedură eficientă și rentabilă asistată de ultrasunete pentru a produce metale mezoporoase.

metale poroși atrage un interes ridicat de ramuri tehnologice multiple, datorită caracteristicilor lor deosebite, cum ar fi rezistența lor 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 in diametru. materiale mezoporoase sunt caracterizate prin dimensiuni între Pose 2 până la 50 nm, în timp ce materialul microporos au o dimensiune a porilor mai mică de 2nm. O echipa internationala de cercetare, inclusiv Dr. Daria Andreeva, de la Universitatea Bayreuth (Departamentul de Chimie Fizică al II-lea) a dezvoltat cu succes o grele și procedura de ultrasunete rentabilă pentru proiectarea și producerea unor astfel de structuri metalice.

In acest proces, metalele sunt tratate într-o soluție apoasă, astfel încât cavitățile câteva nanometri evolueze, golurile definite precis. Pentru aceste structuri adaptate, există deja un spectru larg de aplicații inovatoare, inclusiv instalații de curățare a aerului, de stocare a energiei sau a tehnologiei medicale. Deosebit de promițătoare este utilizarea metalelor poroase în nanocompozitelor. Acestea sunt o nouă clasă de materiale compozite, în care o structură de matrice foarte fină este umplut cu particule variind în mărime de până la 20 de nanometri.

Noua tehnica utilizeaza un proces de formare de bule generate cu ajutorul ultrasunetelor, care se numește cavitație în fizică (derivat din lat. “Cavus” = “gol”). În sectorul maritim, acest proces este de temut din cauza pagube mari poate provoca la elice de nave și turbine. Pentru la viteze foarte mari de rotație, bule de abur formează sub apă. După o scurtă perioadă sub presiune extrem de mare bule colaps interior, deformând astfel, suprafețele metalice. Procesul de cavitație De asemenea, pot fi generate folosind ultrasunete. Cu ultrasunete este compus din valuri compresional cu frecvența peste domeniul audibil (20 kHz) și generează bule de vid în apă și soluții apoase. Temperaturile de câteva mii de grade Celsius și presiuni extrem de ridicate de până la 1000 bari apar atunci când aceste bule implozie.

Schema de mai sus prezintă efectele cavitației acustice asupra modificării particulelor de metal. Metalele cu un punct de topire scăzut (MP) ca zinc (Zn) sunt complet oxidate; metalele cu un punct de topire ridicat, cum ar fi nichelul (Ni) și titanul (Ti), prezintă modificări de suprafață prin sonicare. Aluminiu (Al) și magneziu (Mg) formează structuri mezoporoase. Mijloacele Nobel sunt rezistente la iradierea cu ultrasunete datorită stabilității lor împotriva oxidării. Punctele de topire ale metalelor sunt specificate în grade Kelvin (K).

Un control precis al acestui proces poate duce la o nanostructurare orientată a metalelor suspendate într-o soluție apoasă - având în vedere anumite caracteristici fizice și chimice ale metalelor. Metalele reacționează foarte diferit atunci când sunt expuse la sonicare, așa cum a arătat dr. Daria Andreeva împreună cu colegii ei din Golm, Berlin și Minsk. În metale cu reactivitate ridicată, cum ar fi zinc, aluminiu și magneziu, se formează treptat o structură de matrice, stabilizată printr-o acoperire de oxid. Acest lucru are ca rezultat metalele poroase care, de exemplu, pot fi prelucrate în continuare în materiale compozite. Metalele nobile, cum ar fi aurul, platina, argintul și paladiul, se comportă diferit. Din cauza tendinței lor scăzute de oxidare, ele rezistă tratamentului cu ultrasunete și își păstrează structurile și proprietățile inițiale.

Imaginea de mai sus arata ca ultrasunete poate fi utilizat și pentru protecția aliajelor de aluminiu împotriva coroziunii. Pe stânga: Fotografia unui aliaj de aluminiu într-o soluție foarte coroziv, sub o imagine electomicroscopic a suprafeței, pe care - datorită sonicare - a fost format un strat polyelectolyte. Acest strat oferă o protecție împotriva coroziunii timp de 21 de zile. În dreapta: același aliaj de aluminiu fără să fi fost expus la sonicare. Suprafața este complet corodat.

Faptul că metalele diferite reacționează în mod dramatic diferite moduri sonicării pot fi exploatate pentru inovații în domeniul științei materialelor. Aliaje pot fi convertite astfel încât să nanocompozite în care particulele de material mai stabile sunt inchise intr-o matrice poroasă de metal mai puțin stabil. suprafețe foarte mari de suprafață apar deci în spațiu foarte limitat, ceea ce permite acestor nanocompozite să fie folosite drept catalizatori. Ei au efect reacții chimice deosebit de rapide și eficiente.

Impreuna cu Dr. Daria Andreeva, cercetatorii Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez și Jana Schäferhans, de asemenea, de la Departamentul de Chimie Fizică al II-lea, a contribuit la rezultatele cercetării. Cu colegii lor de la Institutul Max Planck din coloizi si interfete in Golm, Helmholtz-Zentrum für Berlin Materialien und Energie GmbH și Universitatea de Stat din Belarus, la Minsk, care le-au publicat cele mai recente rezultatele lor in revista online “Scară nanometrică”.