Ультразвуковое наноструктурирование для получения пористых металлов

Сонохимия является весьма эффективным инструментом для создания и функционализации наноматериалов. В металлургии ультразвуковое облучение способствует образованию пористых металлов. Исследовательская группа доктора Дарьи Андреевой разработала эффективный и экономичный метод получения мезопористых металлов с применением ультразвука.

Пористые металлы вызывают большой интерес в различных технологических отраслях благодаря своим выдающимся характеристикам, таким как коррозионная стойкость, механическая прочность и способность выдерживать чрезвычайно высокие температуры. Эти свойства обусловлены наноструктурированными поверхностями с порами диаметром всего несколько нанометров. Мезопористые материалы характеризуются размерами пор от 2 до 50 nm, тогда как микропористые материалы имеют размер пор менее 2nm. Международная исследовательская группа, в состав которой входит доктор Дарья Андреева из Байройтского университета (кафедра физической химии II), успешно разработала высокопроизводительный и экономичный ультразвуковой метод создания и производства таких металлических структур.

В этом процессе металлы обрабатывают в водном растворе таким образом, что в точно заданных промежутках образуются полости размером в несколько нанометров. Для этих структур с заданными характеристиками уже существует широкий спектр инновационных применений, включая очистку воздуха, накопление энергии и медицинские технологии. Особенно перспективно использование пористых металлов в нанокомпозитах. Это новый класс композиционных материалов, в которых очень тонкая матричная структура заполнена частицами размером до 20 нанометров.

В новом методе используется процесс образования пузырьков под действием ультразвука, который в физике называется кавитацией (от лат. «cavus» = «полый»). В судоходстве этого процесса опасаются из-за значительного ущерба, который он может причинить судовым гребным винтам и турбинам. При очень высоких скоростях вращения под водой образуются пузырьки пара. Через короткое время под действием чрезвычайно высокого давления пузырьки схлопываются внутрь, деформируя металлические поверхности. Процесс кавитации также можно вызвать с помощью ультразвука. Ультразвук состоит из волн сжатия с частотами выше слышимого диапазона (20 kHz) и создаёт вакуумные пузырьки в воде и водных растворах. При схлопывании этих пузырьков возникают температуры в несколько тысяч градусов Цельсия и чрезвычайно высокие давления до 1000 bar.

На схеме выше показано воздействие акустической кавитации на модификацию металлических частиц. Металлы с низкой температурой плавления (MP), такие как цинк (Zn), полностью окисляются; у металлов с высокой температурой плавления, таких как никель (Ni) и титан (Ti), при обработке ультразвуком происходит модификация поверхности. Алюминий (Al) и магний (Mg) образуют мезопористые структуры. Благородные металлы устойчивы к ультразвуковому облучению благодаря своей стойкости к окислению. Температуры плавления металлов указаны в градусах Кельвина (K).

Точное управление этим процессом может обеспечить целенаправленное наноструктурирование металлов, взвешенных в водном растворе, – при определённых физических и химических характеристиках металлов. Металлы реагируют на такую обработку ультразвуком весьма по-разному, как показала доктор Дарья Андреева совместно со своими коллегами из Гольма, Берлина и Минска. У металлов с высокой реакционной способностью, таких как цинк, алюминий и магний, постепенно формируется матричная структура, стабилизированная оксидным покрытием. В результате образуются пористые металлы, которые, например, можно далее перерабатывать в композиционные материалы. Однако благородные металлы, такие как золото, платина, серебро и палладий, ведут себя иначе. Благодаря низкой склонности к окислению они устойчивы к обработке ультразвуком и сохраняют свои первоначальные структуры и свойства.

На изображении выше показано, что ультразвук также можно использовать для защиты алюминиевых сплавов от коррозии. Слева: фотография алюминиевого сплава в сильно коррозионном растворе, ниже – электронно-микроскопическое изображение поверхности, на которой в результате обработки ультразвуком образовалось полиэлектролитное покрытие. Это покрытие обеспечивает защиту от коррозии в течение 21 дня. Справа: тот же алюминиевый сплав, не подвергавшийся обработке ультразвуком. Поверхность полностью разрушена коррозией.

Тот факт, что разные металлы реагируют на обработку ультразвуком совершенно по-разному, можно использовать для инноваций в материаловедении. Таким способом сплавы можно преобразовать в нанокомпозиты, в которых частицы более стабильного материала заключены в пористую матрицу менее стабильного металла. В результате в очень ограниченном пространстве образуются очень большие площади поверхности, что позволяет использовать эти нанокомпозиты в качестве катализаторов. Они обеспечивают особенно быстрые и эффективные химические реакции.

Вместе с доктором Дарьей Андреевой в получение результатов исследования внесли вклад профессор, доктор Андреас Фери, доктор Николас Пасос-Перес и Яна Шеферханс, также работающие на кафедре физической химии II. Совместно с коллегами из Института коллоидов и межфазных поверхностей Общества Макса Планка в Гольме, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH и Белорусского государственного университета в Минске они опубликовали свои последние результаты в онлайн-версии журнала «Nanoscale».