Sonochemistry является очень эффективным инструментом для проектирования и функционализации наноматериалов. В металлургии ультразвуковое облучение способствует образованию пористых металлов. Исследовательская группа д-р Дарья Андреева разработала эффективную и экономичную методику ультразвука для получения мезопористых металлов.

Пористые металлы привлекают большой интерес многоотраслевых технологических отраслей благодаря своим выдающимся характеристикам, таким как их коррозионная стойкость, механическая прочность и способность выдерживать чрезвычайно высокие температуры. Эти свойства основаны на наноструктурированных поверхностях с порами, имеющими диаметр всего несколько нанометров. Мезопористые материалы характеризуются размером пор от 2 до 50 нм, в то время как микропористый материал имеет размер пор менее 2 нм. Международная исследовательская группа, в том числе д-р Дарья Андреева из Университета Байройта (отдел физической химии II), успешно разработала сверхпрочную и экономичную ультразвуковую методику для проектирования и производства таких металлических конструкций.

В этом процессе металлы обрабатывают в водном растворе таким образом, чтобы полости в несколько нанометров эволюционировали в точно определенных зазорах. Для этих специально разработанных конструкций уже существует широкий спектр инновационных приложений, включая очистку воздуха, хранение энергии или медицинские технологии. Особенно перспективным является использование пористых металлов в нанокомпозитах. Это новый класс композиционных материалов, в которых очень тонкая матричная структура заполнена частицами размером до 20 нанометров.

В новой методике используется процесс ультразвукового образования пузырьков, который называется кавитацией в физике (получена из лат. “Cavus” знак равно “полый”). В мореплавании этот процесс опасается из-за большого ущерба, который он может нанести для кораблей и турбин. При очень высоких скоростях вращения водяные пузыри образуются под водой. После короткого периода под чрезвычайно высоким давлением пузырьки рушится внутрь, тем самым деформируя металлические поверхности. Процесс кавитация также может быть сгенерирован с помощью ультразвука. Ультразвук состоит из волн сжатия с частотами выше слышимого диапазона (20 кГц) и генерирует вакуумные пузырьки в воде и водных растворах. При раздувании этих пузырьков возникают температуры в несколько тысяч градусов Цельсия и чрезвычайно высокие давления до 1000 бар.

На приведенной выше схеме показаны эффекты акустической кавитации на модификацию металлических частиц. Металлы с низкой температурой плавления (МП) в виде цинка (Zn) полностью окисляются; металлы с высокой температурой плавления, такие как никель (Ni) и титан (Ti), демонстрируют модификацию поверхности при обработке ультразвуком. Алюминий (Al) и магний (Mg) образуют мезопористые структуры. Нобелевские металлы устойчивы к ультрафиолетовому облучению из-за их устойчивости к окислению. Точки плавления металлов указаны в градусах Кельвина (К).

Точный контроль этого процесса может привести к целенаправленному наноструктурированию металлов, взвешенных в водном растворе, с учетом определенных физико-химических характеристик металлов. Металлы реагируют очень по-разному, когда подвергаются такой обработке, как показала д-р Дарья Андреева вместе со своими коллегами в Голме, Берлине и Минске. В металлах с высокой реакционной способностью, таких как цинк, алюминий и магний, постепенно формируется матричная структура, стабилизированная оксидным покрытием. Это приводит к пористым металлам, которые могут, например, дополнительно обрабатываться в композитных материалах. Однако благородные металлы, такие как золото, платина, серебро и палладий, ведут себя по-разному. Из-за их низкой склонности к окислению они противостоят обработке ультразвуком и сохраняют свои первоначальные структуры и свойства.

На рисунке выше показано, что ультразвук может также использоваться для защиты алюминиевых сплавов от коррозии. Слева: фотография алюминиевого сплава в высококоррозионном растворе, ниже электромикроскопического изображения поверхности, на котором - из-за обработки ультразвуком - сформировано полиэлектролитное покрытие. Это покрытие обеспечивает защиту от коррозии в течение 21 дня. Справа: тот же алюминиевый сплав, который не подвергался обработке ультразвуком. Поверхность полностью корродирована.

Тот факт, что разные металлы реагируют совершенно разными способами обработки ультразвуком, может быть использован для инноваций в материаловедении. Сплавы могут быть превращены таким образом в нанокомпозиты, в которых частицы более стабильного материала заключены в пористую матрицу из менее устойчивого металла. Таким образом, очень большие площади поверхности возникают в очень ограниченном пространстве, что позволяет использовать эти нанокомпозиты в качестве катализаторов. Они оказывают особенно быстрое и эффективное химическое воздействие.

Вместе с доктором Дарья Андреевой исследователи, профессор Андреас Фери, д-р Никола Пазос-Перес и Яна Шеферханс, также из отдела физической химии II, внесли свой вклад в результаты исследований. Со своими коллегами из Института коллоидов и интерфейсов им. Макса Планка в Гольме, Гельмгольца-центра Берлинского государственного университета и энергетики и Белорусского государственного университета в Минске они опубликовали свои последние результаты в Интернете в журнале “наноразмерных”,