Nano-strukturim tejzanor për të prodhuar metale poroze

Sonokimia është një mjet shumë efektiv për inxhinierinë dhe funksionalizimin e materialeve nano. Në metalurgji, rrezatimi tejzanor nxit formimin e metaleve poroze. Grupi hulumtues i Dr. Daria Andreeva zhvilloi një procedurë efektive dhe me kosto efektive të asistuar me ultratinguj për të prodhuar metale mezoporoze.

Metalet poroze tërheqin interes të madh të degëve teknologjike të shumëfishta për shkak të karakteristikave të tyre të jashtëzakonshme si rezistenca ndaj korrozionit, forca mekanike dhe aftësia për t'i bërë ballë temperaturave jashtëzakonisht të larta. Këto veti bazohen në sipërfaqet me nanostrukturë me pore që masin vetëm disa nanometra në diametër. Materialet mezoporoze karakterizohen nga madhësia e pozës midis 2 dhe 50 nm, ndërsa materiali mikroporoz ka një madhësi pore më të vogël se 2 nm. Një ekip ndërkombëtar hulumtues duke përfshirë Dr. Daria Andreeva nga Universiteti Bayreuth (Departamenti i Kimisë Fizike II) ka zhvilluar me sukses një procedurë ultratinguj të rëndë dhe me kosto efektive për projektimin dhe prodhimin e strukturave të tilla metalike.

Në këtë proces, metalet trajtohen në një tretësirë ujore në mënyrë të tillë që zgavrat prej disa nanometrash të evoluojnë, në boshllëqe të përcaktuara saktësisht. Për këto struktura të personalizuara, ekziston tashmë një spektër i gjerë aplikimesh inovative, duke 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 të përbëra, në të cilat një strukturë matrice shumë e imët është e mbushur me grimca që variojnë në madhësi deri në 20 nanometra.

Teknika e re përdor një proces të formimit të flluskave të gjeneruara në mënyrë tejzanor, i cili quhet kavitacion në fizikë (që rrjedh nga lat. “cavus” = “i zbrazët”). Në detari, ky proces është i frikësuar për shkak të dëmit të madh që mund t'i shkaktojë helikave dhe turbinave të anijeve. Sepse me shpejtësi shumë të larta rrotullimi, flluskat e avullit formohen nën ujë. Pas një periudhe të shkurtër nën presion jashtëzakonisht të lartë, flluskat shemben nga brenda, duke deformuar kështu sipërfaqet metalike. Procesi i kavitacion mund të gjenerohet edhe duke përdorur ultratinguj. Ultratingulli përbëhet nga valë ngjeshëse me frekuenca mbi diapazonin e dëgjueshëm (20 kHz) dhe gjeneron flluska vakumi në ujë dhe tretësirat ujore. Temperaturat prej disa mijëra gradë celsius dhe presione jashtëzakonisht të larta deri në 1000 bar lindin kur këto flluska shpërthejnë.

Skema e mësipërme tregon efektet e kavitacionit akustik në modifikimin e grimcave metalike. Metalet me pikë shkrirjeje të ulët (MP) si zinku (Zn) oksidohen plotësisht; metalet me një pikë të lartë shkrirjeje si nikeli (Ni) dhe titani (Ti) shfaqin modifikim të sipërfaqes nën sonikacion. Alumini (Al) dhe magnezi (Mg) formojnë struktura mezoporoze. Metalet Nobel janë rezistente ndaj rrezatimit me ultratinguj për shkak të qëndrueshmërisë së tyre ndaj oksidimit. Pikat e shkrirjes së metaleve janë të specifikuara në gradë Kelvin (K).

Një kontroll i saktë i këtij procesi mund të çojë në një nanostrukturim të synuar të metaleve të pezulluara në një tretësirë ujore - duke pasur parasysh disa karakteristika fizike dhe kimike të metaleve. Për metalet reagojnë shumë ndryshe kur ekspozohen ndaj një sonikacioni të tillë, 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, gradualisht formohet një strukturë matrice, e stabilizuar nga një shtresë oksidi. Kjo rezulton në metale poroze që për shembull mund të përpunohen më tej në materiale të përbëra. Metalet fisnike si ari, platini, argjendi dhe paladiumi megjithatë sillen ndryshe. Për shkak të tendencës së tyre të ulët të oksidimit, ato i rezistojnë trajtimit me ultratinguj dhe ruajnë strukturat dhe vetitë e tyre fillestare.

Fotografia e mësipërme tregon se ultratingulli mund të përdoret gjithashtu për mbrojtjen e lidhjeve të aluminit nga korrozioni. Në të majtë: Fotografia e një aliazhi alumini në një tretësirë shumë korrozive, poshtë një imazhi elektromikroskopik të sipërfaqes, në të cilën - për shkak të sonikimit - është formuar një shtresë polielektroliti. Kjo shtresë ofron mbrojtje kundër korrozionit për 21 ditë. Në të djathtë: E njëjta aliazh alumini pa u ekspozuar ndaj sonikimit. Sipërfaqja është plotësisht e gërryer.

Fakti që metale të ndryshme reagojnë në mënyra dramatike të ndryshme ndaj sonikimit mund të shfrytëzohet për inovacione në shkencën e materialeve. Lidhjet mund të shndërrohen në një mënyrë të tillë në nanokompozite në të cilat grimcat e materialit më të qëndrueshëm janë të mbështjellura në një matricë poroze të metalit më pak të qëndrueshëm. Sipërfaqe shumë të mëdha sipërfaqësore lindin kështu në hapësirë shumë të kufizuar, gjë që lejon që këto nanokompozite të përdoren si katalizatorë. Ato ndikojnë veçanërisht në reaksione kimike të shpejta dhe efikase.

Së bashku me Dr. Daria Andreeva, studiuesit Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez dhe Jana Schäferhans, gjithashtu nga departamenti i Kimisë Fizike II, kontribuan në rezultatet e hulumtimit. 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 Bjellorusi në Minsk, ata kanë publikuar rezultatet e tyre të fundit në internet në revistë “Nanoshkallë”.