Ултразвучно наноструктурирање за производњу порозних метала

Сонохемија је веома делотворно средство за инжењеринг и функционализацију наноматеријала. У металургији, ултразвучно озрачивање подстиче формирање порозних метала. Истраживачка група др Дарије Андрејеве развила је делотворан и економичан поступак потпомогнут ултразвуком за производњу мезопорозних метала.

Порозни метали привлаче велико интересовање различитих технолошких грана због својих изузетних својстава, као што су отпорност на корозију, механичка чврстоћа и способност да издрже изузетно високе температуре. Ова својства заснивају се на наноструктурираним површинама са порама пречника од свега неколико нанометара. Мезопорозне материјале одликују величине пора од 2 до 50 nm, док микропорозни материјали имају величину пора мању од 2nm. Међународни истраживачки тим, у којем је и др Дарија Андрејева са Универзитета у Бајројту (Катедра за физичку хемију II), успешно је развио високоефикасан и економичан ултразвучни поступак за пројектовање и производњу таквих металних структура.

У овом процесу метали се обрађују у воденом раствору тако да настају шупљине величине од неколико нанометара, на прецизно дефинисаним растојањима. За ове структуре израђене по мери већ постоји широк спектар иновативних примена, укључујући пречишћавање ваздуха, складиштење енергије или медицинску технологију. Посебно обећава примена порозних метала у нанокомпозитима. Они представљају нову класу композитних материјала, у којима је веома фина структура матрице испуњена честицама величине до 20 нанометара.

Нова техника користи процес стварања мехурића помоћу ултразвука, који се у физици назива кавитација (од лат. „cavus” = „шупаљ”). У поморству се од овог процеса страхује због велике штете коју може да нанесе бродским пропелерима и турбинама. Наиме, при веома великим брзинама ротације под водом настају мехурићи паре. Након кратког времена под изузетно високим притиском, мехурићи се урушавају ка унутра и тиме деформишу металне површине. Процес кавитације може се изазвати и ултразвуком. Ултразвук се састоји од компресионих таласа са фреквенцијама изнад чујног опсега (20 kHz) и ствара вакуумске мехуриће у води и воденим растворима. Када ови мехурићи имплодирају, настају температуре од неколико хиљада степени Целзијуса и изузетно високи притисци до 1000 bar.

Горња шема приказује утицај акустичке кавитације на модификацију металних честица. Метали са ниском тачком топљења (MP), попут цинка (Zn), потпуно оксидирају; метали са високом тачком топљења, попут никла (Ni) и титанијума (Ti), показују модификацију површине при соникацији. Алуминијум (Al) и магнезијум (Mg) формирају мезопорозне структуре. Племенити метали су отпорни на ултразвучно озрачивање због своје стабилности према оксидацији. Тачке топљења метала наведене су у степенима Келвина (K).

Прецизна контрола овог процеса може довести до циљаног наноструктурирања метала суспендованих у воденом раствору – уз одређена физичка и хемијска својства метала. Наиме, метали реагују веома различито када су изложени таквој соникацији, као што је показала др Дарија Андрејева заједно са својим колегама у Голму, Берлину и Минску. Код метала високе реактивности, као што су цинк, алуминијум и магнезијум, постепено се формира структура матрице, стабилизована оксидном превлаком. Тако настају порозни метали који се, на пример, могу даље прерађивати у композитне материјале. Међутим, племенити метали, као што су злато, платина, сребро и паладијум, понашају се другачије. Због мале склоности ка оксидацији, они су отпорни на ултразвучну обраду и задржавају своје почетне структуре и својства.

Горња слика показује да се ултразвук може користити и за заштиту легура алуминијума од корозије. Лево: Фотографија легуре алуминијума у веома корозивном раствору, а испод електронскомикроскопски снимак површине на којој је – услед соникације – формирана полиелектролитна превлака. Ова превлака пружа заштиту од корозије током 21 дана. Десно: Иста легура алуминијума која није била изложена соникацији. Површина је потпуно кородирала.

Чињеница да различити метали реагују на соникацију на драстично различите начине може се искористити за иновације у науци о материјалима. Легуре се на тај начин могу претворити у нанокомпозите у којима су честице стабилнијег материјала окружене порозном матрицом мање стабилног метала. Тако настају веома велике површине у веома ограниченом простору, што омогућава да се ови нанокомпозити користе као катализатори. Они изазивају посебно брзе и ефикасне хемијске реакције.

Заједно са др Даријом Андрејевом, истраживачи проф. др Андреас Фери, др Николас Пазос-Перез и Јана Шеферханс, такође са Катедре за физичку хемију II, допринели су резултатима истраживања. Са својим колегама са Института Макс Планк за колоиде и међуповршине у Голму, из установе Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH и са Белоруског државног универзитета у Минску, објавили су своје најновије резултате онлајн у часопису „Nanoscale”.