Ultrazvočno nanostrukturiranje za proizvodnjo poroznih kovin

Sonokemija je zelo učinkovito orodje za inženirstvo in funkcionalizacijo nanomaterialov. V metalurgiji ultrazvočno obsevanje spodbuja nastajanje poroznih kovin. Raziskovalna skupina dr. Darie Andreeve je razvila učinkovit in stroškovno ugoden postopek s pomočjo ultrazvoka za proizvodnjo mezoporoznih kovin.

Porozne kovine vzbujajo veliko zanimanje v številnih tehnoloških panogah zaradi svojih izjemnih lastnosti, kot so korozijska odpornost, mehanska trdnost in sposobnost prenašanja izredno visokih temperatur. Te lastnosti temeljijo na nanostrukturiranih površinah s porami, katerih premer meri le nekaj nanometrov. Za mezoporozne materiale so značilne velikosti por od 2 do 50 nm, medtem ko imajo mikroporozni materiali pore, manjše od 2nm. Mednarodna raziskovalna skupina, v kateri sodeluje tudi dr. Daria Andreeva z Univerze v Bayreuthu (Oddelek za fizikalno kemijo II), je uspešno razvila zmogljiv in stroškovno ugoden ultrazvočni postopek za načrtovanje in proizvodnjo takšnih kovinskih struktur.

Pri tem postopku kovine obdelujejo v vodni raztopini tako, da v natančno določenih razmikih nastajajo votline velikosti nekaj nanometrov. Za te namensko prilagojene strukture že obstaja širok nabor inovativnih uporab, vključno s čiščenjem zraka, shranjevanjem energije in medicinsko tehnologijo. Posebej obetavna je uporaba poroznih kovin v nanokompozitih. Ti so nov razred kompozitnih materialov, v katerih je zelo fina struktura matrice zapolnjena z delci velikosti do 20 nanometrov.

Nova tehnika uporablja proces nastajanja mehurčkov z ultrazvokom, ki se v fiziki imenuje kavitacija (iz lat. »cavus« = »votel«). V pomorstvu se tega procesa bojijo zaradi velike škode, ki jo lahko povzroči na ladijskih vijakih in turbinah. Pri zelo visokih hitrostih vrtenja namreč pod vodo nastajajo parni mehurčki. Po kratkem času pod izredno visokim tlakom se mehurčki sesedejo navznoter in tako deformirajo kovinske površine. Proces kavitacije je mogoče povzročiti tudi z ultrazvokom. Ultrazvok sestavljajo kompresijski valovi s frekvencami nad slišnim območjem (20 kHz), ki v vodi in vodnih raztopinah ustvarjajo vakuumske mehurčke. Ob imploziji teh mehurčkov nastanejo temperature več tisoč stopinj Celzija in izredno visoki tlaki do 1000 bar.

Zgornja shema prikazuje učinke akustične kavitacije na modifikacijo kovinskih delcev. Kovine z nizkim tališčem (MP), kot je cink (Zn), popolnoma oksidirajo; kovine z visokim tališčem, kot sta nikelj (Ni) in titan (Ti), med sonikacijo kažejo površinske spremembe. Aluminij (Al) in magnezij (Mg) tvorita mezoporozne strukture. Plemenite kovine so zaradi svoje odpornosti proti oksidaciji odporne proti ultrazvočnemu obsevanju. Tališča kovin so navedena v stopinjah Kelvina (K).

Natančen nadzor tega procesa lahko omogoči ciljno nanostrukturiranje kovin, suspendiranih v vodni raztopini – ob določenih fizikalnih in kemijskih lastnostih kovin. Kovine se namreč na takšno sonikacijo odzivajo zelo različno, kot je pokazala dr. Daria Andreeva skupaj s kolegi v Golmu, Berlinu in Minsku. Pri zelo reaktivnih kovinah, kot so cink, aluminij in magnezij, se postopoma oblikuje struktura matrice, stabilizirana z oksidno prevleko. Tako nastanejo porozne kovine, ki jih je mogoče na primer nadalje predelati v kompozitne materiale. Plemenite kovine, kot so zlato, platina, srebro in paladij, pa se obnašajo drugače. Zaradi majhne nagnjenosti k oksidaciji so odporne proti ultrazvočni obdelavi in ohranijo svoje prvotne strukture in lastnosti.

Zgornja slika prikazuje, da se ultrazvok lahko uporablja tudi za zaščito aluminijevih zlitin pred korozijo. Levo: fotografija aluminijeve zlitine v močno korozivni raztopini, spodaj elektronskomikroskopski posnetek površine, na kateri je zaradi sonikacije nastala polielektrolitna prevleka. Ta prevleka zagotavlja zaščito pred korozijo za 21 dni. Desno: ista aluminijeva zlitina, ki ni bila izpostavljena sonikaciji. Površina je popolnoma korodirana.

Dejstvo, da se različne kovine na sonikacijo odzivajo izrazito različno, je mogoče izkoristiti za inovacije v znanosti o materialih. Zlitine je tako mogoče pretvoriti v nanokompozite, v katerih so delci stabilnejšega materiala obdani s porozno matrico manj stabilne kovine. Tako na zelo omejenem prostoru nastanejo zelo velike površine, ki omogočajo uporabo teh nanokompozitov kot katalizatorjev. Ti povzročajo posebej hitre in učinkovite kemijske reakcije.

K raziskovalnim rezultatom so skupaj z dr. Dario Andreevo prispevali raziskovalci prof. dr. Andreas Fery, dr. Nicolas Pazos-Perez in Jana Schäferhans, prav tako z Oddelka za fizikalno kemijo II. S kolegi z Inštituta Maxa Plancka za koloide in medfazne površine v Golmu, ustanove Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH in Beloruske državne univerze v Minsku so svoje najnovejše rezultate objavili na spletu v reviji »Nanoscale«.