Nanostrukturimi me ultratinguj për prodhimin e metaleve poroze

Sonokimia është një mjet shumë efektiv për inxhinierimin dhe funksionalizimin e nanomaterialeve. Në metalurgji, rrezatimi me ultratinguj nxit formimin e metaleve poroze. Grupi kërkimor i Dr. Daria Andreeva zhvilloi një procedurë efektive dhe ekonomike, të asistuar me ultratinguj, për prodhimin e metaleve mezoporoze.

Metalet poroze ngjallin interes të madh në degë të shumta teknologjike për shkak të karakteristikave të tyre të jashtëzakonshme, si rezistenca ndaj korrozionit, qëndrueshmëria mekanike dhe aftësia për t’u bërë ballë temperaturave jashtëzakonisht të larta. Këto veti bazohen në sipërfaqet e nanostrukturuara me pore me diametër prej vetëm pak nanometrash. Materialet mezoporoze karakterizohen nga madhësi poresh midis 2 dhe 50 nm, ndërsa materialet mikroporoze kanë madhësi poresh më të vogla se 2nm. Një ekip ndërkombëtar kërkimor, ku përfshihet Dr. Daria Andreeva nga Universiteti i Bayreuth-it (Departamenti i Kimisë Fizike II), ka zhvilluar me sukses një procedurë me ultratinguj me kapacitet të lartë pune dhe ekonomike për projektimin dhe prodhimin e strukturave të tilla metalike.

Në këtë proces, metalet trajtohen në një tretësirë ujore në mënyrë që të formohen zgavra prej pak nanometrash, në hapësira të përcaktuara me saktësi. Për këto struktura të krijuara sipas kërkesave specifike ekziston tashmë një spektër i gjerë zbatimesh novatore, përfshirë pastrimin e ajrit, ruajtjen e energjisë ose teknologjinë mjekësore. Veçanërisht premtues është përdorimi i metaleve poroze në nanokompozite. Këto janë një klasë e re materialesh kompozite, në të cilat një strukturë matrice shumë e imët mbushet me grimca me madhësi deri në 20 nanometra.

Teknika e re shfrytëzon një proces të formimit të flluskave të gjeneruara me ultratinguj, i cili në fizikë quhet kavitacion (rrjedh nga lat. “cavus” = “i zbrazët”). Në lundrimin detar, këtij procesi i druhen për shkak të dëmeve të mëdha që mund t’u shkaktojë helikave të anijeve dhe turbinave. Kjo sepse, në shpejtësi shumë të larta rrotullimi, nën ujë formohen flluska avulli. Pas një kohe të shkurtër nën presion jashtëzakonisht të lartë, flluskat shemben drejt brendësisë, duke deformuar kështu sipërfaqet metalike. Procesi i kavitacionit mund të gjenerohet edhe duke përdorur ultratinguj. Ultratingujt përbëhen nga valë ngjeshëse me frekuenca mbi diapazonin e dëgjueshëm (20 kHz) dhe gjenerojnë flluska vakumi në ujë dhe në tretësira ujore. Kur këto flluska shemben drejt brendësisë, krijohen temperatura prej disa mijëra gradësh celsius dhe presione jashtëzakonisht të larta deri në 1000 bar.

Skema më sipër tregon efektet e kavitacionit akustik në modifikimin e grimcave metalike. Metalet me pikë të ulët shkrirjeje (MP), si zinku (Zn), oksidohen plotësisht; metalet me pikë të lartë shkrirjeje, si nikeli (Ni) dhe titani (Ti), shfaqin modifikim të sipërfaqes gjatë trajtimit me ultratinguj. Alumini (Al) dhe magnezi (Mg) formojnë struktura mezoporoze. Metalet fisnike janë rezistente ndaj rrezatimit me ultratinguj për shkak të qëndrueshmërisë së tyre ndaj oksidimit. Pikat e shkrirjes së metaleve jepen në gradë kelvin (K).

Kontrolli i saktë i këtij procesi mund të çojë në nanostrukturimin e synuar të metaleve të pezulluara në një tretësirë ujore – në varësi të disa karakteristikave fizike dhe kimike të metaleve. Kjo sepse metalet reagojnë në mënyra shumë të ndryshme kur i nënshtrohen një trajtimi të tillë me ultratinguj, siç ka treguar Dr. Daria Andreeva së bashku me kolegët e saj në Golm, Berlin dhe Minsk. Në metalet me reaktivitet të lartë, si zinku, alumini dhe magnezi, formohet gradualisht një strukturë matrice, e stabilizuar nga një shtresë oksidi. Kjo sjell formimin e metaleve poroze që, për shembull, mund të përpunohen më tej për t’u përfshirë në materiale kompozite. Megjithatë, metalet fisnike si ari, platini, argjendi dhe paladiumi sillen ndryshe. Për shkak të prirjes së tyre të ulët për oksidim, ato i rezistojnë trajtimit me ultratinguj dhe ruajnë strukturat dhe vetitë e tyre fillestare.

Figura më sipër tregon se ultratingujt mund të përdoren edhe për mbrojtjen e lidhjeve të aluminit nga korrozioni. Majtas: Fotografia e një lidhjeje alumini në një tretësirë shumë korrozive; poshtë saj, një imazh i sipërfaqes i marrë me mikroskop elektronik, ku – si rezultat i trajtimit me ultratinguj – është formuar një veshje polielektrolitike. Kjo veshje ofron mbrojtje nga korrozioni për 21 ditë. Djathtas: E njëjta lidhje alumini pa iu nënshtruar trajtimit me ultratinguj. Sipërfaqja është plotësisht e korroduar.

Fakti që metale të ndryshme reagojnë në mënyra rrënjësisht të ndryshme ndaj trajtimit me ultratinguj mund të shfrytëzohet për novacione në shkencën e materialeve. Në këtë mënyrë, lidhjet mund të shndërrohen në nanokompozite, në të cilat grimcat e materialit më të qëndrueshëm mbështillen nga një matricë poroze e metalit më pak të qëndrueshëm. Kështu krijohen sipërfaqe shumë të mëdha në një hapësirë shumë të kufizuar, të cilat mundësojnë përdorimin e këtyre nanokompoziteve si katalizatorë. Ato mundësojnë reaksione kimike veçanërisht të shpejta dhe efikase.

Së bashku me Dr. Daria Andreeva, në rezultatet e kërkimit kontribuuan studiuesit Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez dhe Jana Schäferhans, gjithashtu nga Departamenti i Kimisë Fizike II. Me kolegët e tyre në Institutin Max Planck të Koloideve dhe Ndërfaqeve në Golm, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH dhe Universitetin Shtetëror të Bjellorusisë në Minsk, ata kanë publikuar rezultatet e tyre më të fundit në internet në revistën “Nanoscale”.