Ultrazvočna kemija je zelo učinkovito orodje za inženiring in funkcionalizacije nano delcev. V metalurgiji je ultrazvočnega valovanja pospešuje nastanek porozne kovin. Raziskovalna skupina dr Daria Andreeva razvili učinkovito in stroškovno učinkovito, ultrazvok pomaga postopek za proizvodnjo mezoporozne kovine.

Porozni kovine pritegnili veliko zanimanje mnogotere tehnoloških vej zaradi svoje izjemne lastnosti, kot so njihova korozijska odpornost, mehansko trdnost in sposobnost, da vzdrži izredno visoke temperature. Te lastnosti so na osnovi nanodelcev površinah s porami, ki merijo le nekaj nanometrov v premeru. Mezoporozna materiali so značilne velikosti pomenijo od 2 do 50 nm, medtem ko imajo mikroporozni material velikost por manj kot 2 nM. Mednarodna raziskovalna skupina, vključno z dr Daria Andreeva z Univerzo v Bayreuthu (Oddelek za fizikalno kemijo II) je uspešno razvila težka dajatve in stroškovno učinkovit postopek ultrazvok za načrtovanje in proizvodnjo takšnih kovinskih konstrukcij.

Pri tem postopku se kovine obdelamo v vodni raztopini na tak način, da votlin nekaj nanometrov razvijajo v natančno določenih vrzeli. Pri teh prilagojenih struktur, že obstaja širok spekter inovativnih aplikacij, vključno s čiščenjem zraka, shranjevanje energije in medicinske tehnologije. Še posebej obetavna je uporaba poroznih kovin v nanokompozitov. To so nov razred kompozitnih materialov, pri katerih je zelo tanka matriks konstrukcija napolnjena z delci segajo v velikosti do 20 nanometrov.

Nova tehnika uporablja proces ultrazvočno nastalih zračnih mehurčkov, ki je imenovana kavitacija v fiziki (izhaja iz lat. “cavus” = “votlo”). V pomorstvo, je ta proces bali zaradi velike škode, ki jo lahko povzroči na propelerje ladje in turbin. Za zelo veliko hitrostjo vrtenja, parni mehurčki se tvori pod vodo. Po krajšem obdobju izredno visokim pritiskom mehurčki propad navznoter, s čimer deformacije kovinskih površin. Postopek kavitacija lahko generiramo tudi z ultrazvokom. Ultrazvok je sestavljena iz kompresijska valov pri frekvencah nad goste območju (20 kHz) in ustvari vakuum mehurčke v vodi in vodnih raztopinah. Temperature več tisoč stopinj Celzija in zelo visoki tlaki do 1000 barov nastane, ko ti mehurčki implozije.

Zgornja shema kaže učinke akustične kavitacije na modifikacijo kovinskih delcev. Kovine z nizkim tališčem (MP) kot cink (Zn) so popolnoma oksidirane; kovine z visoko tališčem, kot so nikelj (Ni) in titan (Ti), kažejo površinsko modifikacijo pod sonikacijo. Aluminij (Al) in magnezij (Mg) tvorijo mesoporozne strukture. Nobelove kovine so odporne na ultrazvok sevanja zaradi svoje stabilnosti pred oksidacijo. Tališča kovin so določena v stopinjah Kelvin (K).

Natančna kontrola tega postopka lahko privede do usmerjenega nanostrukturiranja kovin, suspendiranih v vodni raztopini - glede na določene fizikalne in kemijske lastnosti kovin. Za kovine reagira zelo različno, ko je izpostavljena takšni sonikaciji, kot je pokazala dr. Daria Andreeva skupaj s svojimi kolegi v Golmu, Berlinu in Minsku. Pri kovinah z visoko reaktivnostjo, kot so cink, aluminij in magnezij, se matrična struktura postopoma oblikuje, stabilizira z oksidnim premazom. To povzroča porozne kovine, ki se lahko na primer dodatno obdelujejo v kompozitnih materialih. Plemenite kovine, kot so zlato, platina, srebro in paladij, pa se obnašajo drugače. Zaradi svoje nizke oksidacijske tendence se upirajo ultrazvočnemu zdravljenju in ohranjajo svoje začetne strukture in lastnosti.

Iz zgornje slike je razvidno, da lahko ultrazvok se uporablja tudi za zaščito aluminijevih zlitin pred korozijo. Na levi: Fotografija aluminijeve zlitine v izredno korozivne raztopine, spodaj z electomicroscopic sliki površine, na katero - zaradi ultrazvoka - se obori polyelectolyte premaz. Ta premaz ponuja zaščito pred korozijo za 21 dni. Na desni: Enako aluminijeva zlitina, ne da bi bili izpostavljeni sonikacijo. Površina je popolnoma razjedena.

Dejstvo, da različne kovine reagirajo na dramatično različne načine za ultrazvočno razbijanje je mogoče izkoriščati za inovacije na področju znanosti o materialih. Zlitine lahko pretvorimo na tak način, da nanokompozitov, v kateri so delci bolj stabilnega materiala, oblečene v porozni matriki z manj stabilne kovine. Zelo velike površine tako pojavljajo v zelo omejenem prostoru, ki omogočajo te nanokompozitov, ki se uporabljajo kot katalizatorji. Prav učinek predvsem hitro in učinkovito kemijske reakcije.

Skupaj z dr Daria Andreeva, raziskovalci dr Andreas Fery, dr Nicolas Pazos-Perez in Jana Schäferhans, tudi na oddelku za fizikalno kemijo II, prispevali k rezultatov raziskav. S svojimi sodelavci Inštituta Maxa Plancka koloidov in vmesniki v Golm je Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH in beloruski državni univerzi v Minsku, ki so bili objavljeni svoje najnovejše rezultate na spletu v reviji “nano”.