Ultrazvočno nanostrukturiranje za proizvodnjo poroznih kovin

Sonokemija je zelo učinkovito orodje za inženiring in funkcionalizacijo nano materialov. V metalurgiji ultrazvočno obsevanje spodbuja nastanek poroznih kovin. Raziskovalna skupina dr. Darie Andreeve je razvila učinkovit in stroškovno učinkovit ultrazvočni postopek za proizvodnjo mezoporoznih kovin.

Porozne kovine pritegnejo veliko zanimanje številnih tehnoloških panog zaradi svojih izjemnih lastnosti, kot so odpornost proti koroziji, mehanska trdnost in sposobnost prenašanja izjemno visokih temperatur. Te lastnosti temeljijo na nanostrukturiranih površinah s porami, ki merijo le nekaj nanometrov v premeru. Za mezoporozne materiale so značilne velikosti med 2 in 50 nm, medtem ko imajo mikroporozni materiali velikost por manjšo od 2 nm. Mednarodna raziskovalna skupina, vključno z dr. Dario Andreeva z Univerze v Bayreuthu (Oddelek za fizikalno kemijo II), je uspešno razvila težak in stroškovno učinkovit ultrazvočni postopek za načrtovanje in proizvodnjo takšnih kovinskih struktur.

V tem procesu se kovine obdelajo v vodni raztopini tako, da se v natančno določenih vrzelih razvijejo votline nekaj nanometrov. Za te po meri izdelane strukture že obstaja širok spekter inovativnih aplikacij, vključno s čiščenjem zraka, shranjevanjem energije ali medicinsko tehnologijo. Še posebej obetavna je uporaba poroznih kovin v nanokompozitih. To je nov razred kompozitnih materialov, v katerih je zelo fina matrična struktura napolnjena z delci velikosti do 20 nanometrov.

Nova tehnika uporablja proces ultrazvočno ustvarjenega nastajanja mehurčkov, ki se v fiziki imenuje kavitacija (izpeljana iz lat. “Cavus” = “votel”). V pomorstvu se tega procesa bojimo zaradi velike škode, ki jo lahko povzroči ladijskim propelerjem in turbinam. Kajti pri zelo visokih hitrostih vrtenja se pod vodo tvorijo parni mehurčki. Po kratkem času pod izjemno visokim tlakom se mehurčki zrušijo navznoter in tako deformirajo kovinske površine. Postopek Kavitacija Lahko se ustvari tudi z ultrazvokom. Ultrazvok je sestavljen iz kompresijskih valov s frekvencami nad slišnim območjem (20 kHz) in ustvarja vakuumske mehurčke v vodi in vodnih raztopinah. Temperature več tisoč stopinj Celzija in ekstremno visoki tlaki do 1000 barov nastanejo, ko ti mehurčki implodirajo.

Zgornja shema prikazuje učinke akustične kavitacije na modifikacijo kovinskih delcev. Kovine z nizkim tališčem (MP) kot cink (Zn) so popolnoma oksidirane; kovine z visokim tališčem, kot sta nikelj (Ni) in titan (Ti), kažejo površinsko spremembo pri ultrazvočnem razbijanju. Aluminij (Al) in magnezij (Mg) tvorita mezoporozne strukture. Nobelove kovine so odporne na ultrazvočno obsevanje zaradi svoje stabilnosti proti oksidaciji. Tališča kovin so določena v stopinjah Kelvina (K).

Natančen nadzor tega procesa lahko privede do ciljno nanostrukturiranja kovin, suspendiranih v vodni raztopini – glede na določene fizikalne in kemijske lastnosti kovin. Kajti kovine reagirajo zelo različno, ko so izpostavljene takšni ultrazvočni obdelavi, kot je pokazala dr. Daria Andreeva skupaj s svojimi kolegi v Golmu, Berlinu in Minsku. V kovinah z visoko reaktivnostjo, kot so cink, aluminij in magnezij, se postopoma oblikuje matrična struktura, ki se stabilizira s oksidno prevleko. To ima za posledico porozne kovine, ki jih je mogoče na primer nadalje obdelovati v kompozitnih materialih. Plemenite kovine, kot so zlato, platina, srebro in paladij, pa se obnašajo drugače. Zaradi nizke oksidacijske tendence se upirajo ultrazvočni obdelavi in ohranijo svoje začetne strukture in lastnosti.

Zgornja slika kaže, da se ultrazvok lahko uporablja tudi za zaščito aluminijevih zlitin pred korozijo. Na levi: Fotografija aluminijeve zlitine v zelo korozivni raztopini, pod elektromikroskopsko sliko površine, na kateri je zaradi ultrazvočnega razbijanja nastala polielektrolitna prevleka. Ta premaz zagotavlja zaščito pred korozijo 21 dni. Na desni: ista aluminijeva zlitina, ne da bi bila izpostavljena ultrazvočnemu razbijanju. Površina je popolnoma korodirana.

Dejstvo, da različne kovine reagirajo na ultrazvočno razbijanje na dramatično različne načine, je mogoče izkoristiti za inovacije v znanosti o materialih. Zlitine se lahko na tak način pretvorijo v nanokompozite, v katerih so delci bolj stabilnega materiala zaprti v porozno matrico manj stabilne kovine. Zelo velike površine tako nastanejo v zelo omejenem prostoru, kar omogoča, da se ti nanokompoziti uporabljajo kot katalizatorji. Vplivajo na posebej hitre in učinkovite kemijske reakcije.

Skupaj z dr. Dario Andreevo so k rezultatom raziskav prispevali raziskovalci prof. dr. Andreas Fery, dr. Nicolas Pazos-Perez in Jana Schäferhans, tudi z oddelka za fizikalno kemijo II. S sodelavci na Inštitutu Max Planck za koloide in vmesnike v Golmu, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH in Beloruski državni univerzi v Minsku so svoje najnovejše rezultate objavili na spletu v reviji “Nanomerilo”.