Ultrazvukové nanoštruktúrovanie na výrobu poréznych kovov

Sonochémia je veľmi efektívny nástroj na inžinierstvo a funkcionalizáciu nanomateriálov. V metalurgii ultrazvukové ožarovanie podporuje tvorbu pórovitých kovov. Výskumná skupina Dr. Darie Andreevovej vyvinula účinný a nákladovo efektívny postup s ultrazvukom na výrobu mezopórovitých kovov.

Porézne kovy priťahujú veľký záujem rôznych technologických odvetví vďaka svojim vynikajúcim vlastnostiam, ako je odolnosť proti korózii, mechanická pevnosť a schopnosť odolávať mimoriadne vysokým teplotám. Tieto vlastnosti sú založené na nanoštruktúrovaných povrchoch s pórmi s priemerom len niekoľko nanometrov. Mezoporézne materiály sa vyznačujú veľkosťou póz medzi 2 až 50 nm, zatiaľ čo mikroporézny materiál má veľkosť pórov menšiu ako 2 nm. Medzinárodný výskumný tím, ktorý zahŕňa Dr. Dariu Andreevu z Bayreuthskej univerzity (Katedra fyzikálnej chémie II), úspešne vyvinul náročný a nákladovo efektívny ultrazvukový postup na navrhovanie a výrobu takýchto kovových štruktúr.

V tomto procese sa kovy spracujú vo vodnom roztoku takým spôsobom, že sa v presne definovaných medzerách vyvíjajú dutiny s veľkosťou niekoľkých nanometrov. Pre tieto konštrukcie šité na mieru už existuje široké spektrum inovatívnych aplikácií vrátane čistenia vzduchu, skladovania energie alebo lekárskej techniky. Obzvlášť sľubné je použitie pórovitých kovov v nanokompozitoch. Ide o novú triedu kompozitných materiálov, v ktorých je veľmi jemná matricová štruktúra vyplnená časticami s veľkosťou do 20 nanometrov.

Nová technika využíva proces ultrasonicky generovanej tvorby bublín, ktorý sa vo fyzike nazýva kavitácia (odvodená z lat. “Cavus” = “dutý”). V námorníctve sa tohto procesu obávame kvôli veľkým škodám, ktoré môže spôsobiť lodným vrtuľám a turbínam. Pretože pri veľmi vysokých rýchlostiach otáčania sa pod vodou tvoria bubliny pary. Po krátkom čase pod extrémne vysokým tlakom sa bubliny zrútia dovnútra, čím deformujú kovové povrchy. Proces Kavitácie môže byť generovaný aj pomocou ultrazvuku. Ultrazvuk sa skladá z kompresných vĺn s frekvenciami nad počuteľným rozsahom (20 kHz) a vytvára vákuové bubliny vo vode a vodných roztokoch. Pri implodácii týchto bublín vznikajú teploty niekoľko tisíc stupňov Celzia a extrémne vysoké tlaky až 1000 barov.

Vyššie uvedená schéma ukazuje účinky akustické kavitácie na modifikáciu kovových častíc. Kovy s nízkou teplotou topenia (MP) ako zinok (Zn) sú úplne oxidované; kovy s vysokou teplotou topenia, ako je nikel (Ni) a titán (Ti), vykazujú povrchovú modifikáciu pri sonikácii. Hliník (Al) a horčík (Mg) tvoria mezoporézne štruktúry. Nobelove kovy sú odolné voči ultrazvukovému žiareniu vďaka svojej stabilite proti oxidácii. Teploty topenia kovov sú uvedené v stupňoch Kelvina (K).

Presná kontrola tohto procesu môže viesť k cielenej nanoštruktúre kovov suspendovaných vo vodnom roztoku – vzhľadom na určité fyzikálne a chemické vlastnosti kovov. Pretože kovy reagujú veľmi odlišne, keď sú vystavené takejto sonikacii, ako ukázala Dr. Daria Andreeva spolu so svojimi kolegami v Golme, Berlíne a Minsku. V kovoch s vysokou reaktivitou, ako je zinok, hliník a horčík, sa postupne vytvára matricová štruktúra, ktorá sa stabilizuje oxidovým povlakom. Výsledkom sú porézne kovy, ktoré sa dajú ďalej spracovávať napríklad v kompozitných materiáloch. Ušľachtilé kovy ako zlato, platina, striebro a paládium sa však správajú odlišne. Vďaka nízkej tendencii k oxidácii odolávajú ultrazvukovému ošetreniu a zachovávajú si svoje pôvodné štruktúry a vlastnosti.

Obrázok vyššie ukazuje, že ultrazvuk možno použiť aj na ochranu hliníkových zliatin pred koróziou. Vľavo: Fotografia hliníkovej zliatiny vo vysoko korozívnom roztoku, pod elektromikroskopickým obrázkom povrchu, na ktorom sa v dôsledku sonikácie vytvoril polyelektrolytový povlak. Tento náter ponúka ochranu proti korózii po dobu 21 dní. Vpravo: Rovnaká hliníková zliatina bez toho, aby bola vystavená sonikácii. Povrch je úplne skorodovaný.

Skutočnosť, že rôzne kovy reagujú na sonikáciu dramaticky odlišnými spôsobmi, možno využiť na inovácie v materiálovej vede. Zliatiny môžu byť premenené takým spôsobom na nanokompozity, v ktorých sú častice stabilnejšieho materiálu uzavreté v pórovitej matrici menej stabilného kovu. Vo veľmi obmedzenom priestore tak vznikajú veľmi veľké povrchové plochy, ktoré umožňujú použitie týchto nanokompozitov ako katalyzátorov. Ovplyvňujú obzvlášť rýchle a účinné chemické reakcie.

Spolu s Dr. Dariou Andreevovou prispeli k výsledkom výskumu výskumníci Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez a Jana Schäferhans, tiež z katedry fyzikálnej chémie II. Spolu so svojimi kolegami z Inštitútu Maxa Plancka pre koloidy a rozhrania v Golme, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH a Bieloruskej štátnej univerzity v Minsku zverejnili svoje najnovšie výsledky online v časopise “Nanomierka”.