Ултразвучно нано-структурирање за производњу порозних метала

Соноцхемистри је веома ефикасан алат за инжењеринг и функционализацију нано материјала. У металургији, ултразвучно зрачење промовише стварање порозних метала. Истраживачка група др Дарије Андрееве развила је ефикасну и економичну процедуру уз помоћ ултразвука за производњу мезопорозних метала.

Порозни метали привлаче велико интересовање различитих технолошких грана због својих изванредних карактеристика као што су отпорност на корозију, механичка чврстоћа и способност да издрже изузетно високе температуре. Ова својства су заснована на наноструктурираним површинама са порама пречника само неколико нанометара. Мезопорозни материјали се одликују величинама положаја између 2 и 50 нм, док микропорозни материјали имају величину пора мању од 2 нм. Међународни истраживачки тим укључујући др Дарију Андрееву са Универзитета у Бајројту (Одељење за физичку хемију ИИ) успешно је развио тежак и економичан ултразвучни поступак за пројектовање и производњу таквих металних структура.

У овом процесу метали се третирају у воденом раствору на начин да се развијају шупљине од неколико нанометара, у тачно дефинисаним празнинама. За ове структуре направљене по мери, већ постоји широк спектар иновативних примена, укључујући чишћење ваздуха, складиштење енергије или медицинску технологију. Посебно обећавајућа је употреба порозних метала у нанокомпозитима. Ово је нова класа композитних материјала, у којој је веома фина матрична структура испуњена честицама величине до 20 нанометара.

Нова техника користи процес ултразвучно генерисаног формирања мехурића, који се у физици назива кавитација (изведен од лат. “цавус” = “шупље”). У поморству се страхује од овог процеса због велике штете коју може да нанесе бродским пропелерима и турбинама. Јер при веома великим брзинама ротације, под водом се формирају мехурићи паре. После кратког периода под екстремно високим притиском, мехурићи се урушавају према унутра, деформишући металне површине. Процес кавитација такође се може генерисати ултразвуком. Ултразвук се састоји од компресијских таласа са фреквенцијама изнад чујног опсега (20 кХз) и ствара вакуумске мехуриће у води и воденим растворима. Температуре од неколико хиљада степени Целзијуса и екстремно високи притисци до 1000 бара настају када ови мехурићи експлодирају.

Горња шема показује ефекте акустичне кавитације на модификацију металних честица. Метали са ниском тачком топљења (МП) као цинк (Зн) су потпуно оксидовани; метали са високом тачком топљења као што су никл (Ни) и титанијум (Ти) показују површинску модификацију под соникацијом. Алуминијум (Ал) и магнезијум (Мг) формирају мезопорозне структуре. Нобелови метали су отпорни на ултразвучно зрачење због своје стабилности на оксидацију. Тачке топљења метала су наведене у степенима Келвина (К).

Прецизна контрола овог процеса може довести до циљаног наноструктурирања метала суспендованих у воденом раствору – с обзиром на одређене физичко-хемијске карактеристике метала. Јер метали реагују веома различито када су изложени таквој соникацији, што је показала др Дарија Андреева заједно са својим колегама у Голму, Берлину и Минску. У металима са високом реактивношћу као што су цинк, алуминијум и магнезијум, постепено се формира матрична структура, стабилизована оксидним премазом. Ово резултира порозним металима који се, на пример, могу даље обрађивати у композитним материјалима. Међутим, племенити метали као што су злато, платина, сребро и паладијум се понашају другачије. Због своје ниске склоности оксидацији, отпорни су на ултразвучни третман и задржавају своју почетну структуру и својства.

Слика изнад показује да се ултразвук може користити и за заштиту алуминијумских легура од корозије. Лево: Фотографија легуре алуминијума у високо корозивном раствору, испод електромикроскопске слике површине, на којој је – услед соникације – формиран полиелектролитни премаз. Овај премаз пружа заштиту од корозије 21 дан. Десно: Иста алуминијумска легура без излагања соникацији. Површина је потпуно кородирана.

Чињеница да различити метали реагују на драматично различите начине на соникацију може се искористити за иновације у науци о материјалима. Легуре се могу конвертовати на такав начин у нанокомпозите у којима су честице стабилнијег материјала затворене у порозну матрицу мање стабилног метала. Тако настају веома велике површине у веома ограниченом простору, што омогућава да се ови нанокомпозити користе као катализатори. Они утичу на нарочито брзе и ефикасне хемијске реакције.

Заједно са др Даријом Андреевом, допринос резултатима истраживања дали су истраживачи проф. др Андреас Фери, др Николас Пазос-Перез и Јана Шеферханс, такође са одељења за физичку хемију ИИ. Са својим колегама са Института за колоиде и интерфејсе Макс Планк у Голму, Хелмхолтз-Зентрум Берлин фур Материалиен унд Енергие ГмбХ и Белоруског државног универзитета у Минску, објавили су своје најновије резултате онлајн у часопису “Наносцале”.