Ultrazvukové nanoštruktúrovanie na výrobu poréznych kovov

Sonochémia je veľmi účinným nástrojom na prípravu a funkcionalizáciu nanomateriálov. V metalurgii pôsobenie ultrazvuku podporuje tvorbu poréznych kovov. Výskumná skupina Dr. Darie Andreevovej vyvinula účinný a nákladovo efektívny postup výroby mezoporéznych kovov s využitím ultrazvuku.

Porézne kovy vzbudzujú veľký záujem v rozmanitých technologických odvetviach vďaka svojim výnimočným vlastnostiam, ako sú odolnosť proti korózii, mechanická pevnosť a schopnosť odolávať mimoriadne vysokým teplotám. Tieto vlastnosti vyplývajú z nanoštruktúrovaných povrchov s pórmi s priemerom iba niekoľkých nanometrov. Mezoporézne materiály sa vyznačujú veľkosťou pórov od 2 do 50 nm, zatiaľ čo mikroporézne materiály majú veľkosť pórov menšiu ako 2nm. Medzinárodný výskumný tím, ktorého členkou je aj Dr. Daria Andreevová z Univerzity v Bayreuthe (Katedra fyzikálnej chémie II), úspešne vyvinul vysoko výkonný a nákladovo efektívny ultrazvukový postup na navrhovanie a výrobu takýchto kovových štruktúr.

Pri tomto procese sa kovy spracúvajú vo vodnom roztoku tak, aby v presne vymedzených medzerách vznikali dutiny s veľkosťou niekoľkých nanometrov. Pre tieto štruktúry vytvorené na mieru už existuje široké spektrum inovatívnych aplikácií vrátane čistenia vzduchu, ukladania energie či zdravotníckej techniky. Obzvlášť sľubné je využitie poréznych kovov v nanokompozitoch. Ide o novú triedu kompozitných materiálov, v ktorých je veľmi jemná štruktúra matrice vyplnená časticami s veľkosťou až do 20 nanometrov.

Nová technika využíva proces tvorby bublín pôsobením ultrazvuku, ktorý sa vo fyzike označuje ako kavitácia (z latinského „cavus“ = „dutý“). V námornej doprave tento proces vyvoláva obavy pre veľké škody, ktoré môže spôsobiť na lodných skrutkách a turbínach. Pri veľmi vysokých otáčkach sa totiž pod vodou tvoria bubliny pary. Po krátkom čase sa pri mimoriadne vysokom tlaku zrútia dovnútra, čím deformujú kovové povrchy. Proces kavitácie možno vyvolať aj pomocou ultrazvuku. Ultrazvuk tvoria tlakové vlny s frekvenciami nad počuteľným rozsahom (20 kHz) a vo vode a vodných roztokoch vytvára vákuové bubliny. Pri implózii týchto bublín vznikajú teploty niekoľko tisíc stupňov Celzia a mimoriadne vysoké tlaky až do 1000 bar.

Uvedená schéma znázorňuje účinky akustickej kavitácie na modifikáciu kovových častíc. Kovy s nízkou teplotou topenia (MP), ako je zinok (Zn), sa úplne oxidujú; kovy s vysokou teplotou topenia, ako sú nikel (Ni) a titán (Ti), vykazujú pri sonikácii modifikáciu povrchu. Hliník (Al) a horčík (Mg) vytvárajú mezoporézne štruktúry. Ušľachtilé kovy sú odolné voči pôsobeniu ultrazvuku vďaka svojej odolnosti voči oxidácii. Teploty topenia kovov sú uvedené v stupňoch Kelvina (K).

Presné riadenie tohto procesu môže viesť k cielenému nanoštruktúrovaniu kovov suspendovaných vo vodnom roztoku – pri určitých fyzikálnych a chemických vlastnostiach kovov. Kovy totiž na takúto sonikáciu reagujú veľmi odlišne, ako ukázala Dr. Daria Andreevová spolu so svojimi kolegami v Golme, Berlíne a Minsku. V kovoch s vysokou reaktivitou, ako sú zinok, hliník a horčík, sa postupne vytvára štruktúra matrice stabilizovaná oxidovou vrstvou. Výsledkom sú porézne kovy, ktoré možno napríklad ďalej spracovať na kompozitné materiály. Ušľachtilé kovy, ako sú zlato, platina, striebro a paládium, sa však správajú inak. Vďaka svojmu nízkemu sklonu k oxidácii odolávajú ultrazvukovému spracovaniu a zachovávajú si pôvodné štruktúry a vlastnosti.

Uvedený obrázok ukazuje, že ultrazvuk možno použiť aj na ochranu hliníkových zliatin proti korózii. Vľavo: fotografia hliníkovej zliatiny v silne korozívnom roztoku, pod ňou elektrónovomikroskopická snímka povrchu, na ktorom sa v dôsledku sonikácie vytvorila polyelektrolytová vrstva. Táto vrstva poskytuje ochranu proti korózii počas 21 dní. Vpravo: rovnaká hliníková zliatina, ktorá nebola vystavená sonikácii. Povrch je úplne skorodovaný.

Skutočnosť, že rôzne kovy reagujú na sonikáciu výrazne odlišnými spôsobmi, možno využiť na inovácie v materiálovej vede. Zliatiny možno premeniť na nanokompozity, v ktorých sú častice stabilnejšieho materiálu obklopené poréznou matricou menej stabilného kovu. Vo veľmi obmedzenom priestore tak vznikajú veľmi veľké plochy povrchu, ktoré umožňujú využívať tieto nanokompozity ako katalyzátory. Vyvolávajú obzvlášť rýchle a účinné chemické reakcie.

Spolu s Dr. Dariou Andreevovou prispeli k výsledkom výskumu aj výskumníci Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez a Jana Schäferhansová, takisto z Katedry fyzikálnej chémie II. Spolu s 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 uverejnili svoje najnovšie výsledky online v časopise „Nanoscale“.