Nanostrukturering med ultraljud för framställning av porösa metaller

Sonokemi är ett mycket effektivt verktyg för bearbetning och funktionalisering av nanomaterial. Inom metallurgin främjar ultraljudsbestrålning bildandet av porösa metaller. Dr. Daria Andreevas forskargrupp utvecklade en effektiv och kostnadseffektiv ultraljudsassisterad metod för att framställa mesoporösa metaller.

Porösa metaller väcker stort intresse inom många teknikområden tack vare sina enastående egenskaper, såsom korrosionsbeständighet, mekanisk hållfasthet och förmåga att motstå extremt höga temperaturer. Dessa egenskaper bygger på de nanostrukturerade ytorna med porer som bara är några få nanometer i diameter. Mesoporösa material kännetecknas av porstorlekar mellan 2 och 50 nm, medan mikroporösa material har en porstorlek på mindre än 2nm. Ett internationellt forskarteam, där Dr. Daria Andreeva från Bayreuths universitet (institutionen för fysikalisk kemi II) ingår, har framgångsrikt utvecklat en högpresterande och kostnadseffektiv ultraljudsmetod för utformning och framställning av sådana metallstrukturer.

I denna process behandlas metaller i en vattenlösning på ett sådant sätt att hålrum på några få nanometer bildas med exakt definierade mellanrum. Det finns redan ett brett spektrum av innovativa tillämpningar för dessa skräddarsydda strukturer, bland annat luftrening, energilagring och medicinteknik. Särskilt lovande är användningen av porösa metaller i nanokompositer. Dessa är en ny klass av kompositmaterial där en mycket fin matrisstruktur fylls med partiklar med storlekar på upp till 20 nanometer.

Den nya tekniken utnyttjar en process med ultraljudsgenererad bubbelbildning, som inom fysiken kallas kavitation (från latinets ”cavus” = ”ihålig”). Inom sjöfarten är denna process fruktad på grund av de stora skador den kan orsaka på fartygspropellrar och turbiner. Vid mycket höga rotationshastigheter bildas nämligen ångbubblor under vatten. Efter en kort tid under extremt högt tryck kollapsar bubblorna inåt och deformerar därmed metallytorna. Processen kavitation kan också genereras med ultraljud. Ultraljud består av kompressionsvågor med frekvenser över det hörbara området (20 kHz) och genererar vakuumbubblor i vatten och vattenlösningar. När dessa bubblor imploderar uppstår temperaturer på flera tusen grader Celsius och extremt höga tryck på upp till 1000 bar.

Schemat ovan visar den akustiska kavitationens effekter på modifieringen av metallpartiklar. Metaller med låg smältpunkt (MP), såsom zink (Zn), oxideras fullständigt; metaller med hög smältpunkt, såsom nickel (Ni) och titan (Ti), uppvisar ytmodifiering vid ultraljudsbehandling. Aluminium (Al) och magnesium (Mg) bildar mesoporösa strukturer. Ädelmetaller är motståndskraftiga mot ultraljudsbestrålning tack vare sin stabilitet mot oxidation. Metallernas smältpunkter anges i grader Kelvin (K).

Exakt styrning av denna process kan leda till riktad nanostrukturering av metaller suspenderade i en vattenlösning – förutsatt att metallerna har vissa fysikaliska och kemiska egenskaper. Metaller reagerar nämligen mycket olika när de utsätts för sådan ultraljudsbehandling, vilket Dr. Daria Andreeva tillsammans med sina kollegor i Golm, Berlin och Minsk har visat. I metaller med hög reaktivitet, såsom zink, aluminium och magnesium, bildas gradvis en matrisstruktur som stabiliseras av ett oxidskikt. Detta resulterar i porösa metaller som till exempel kan vidarebearbetas till kompositmaterial. Ädelmetaller som guld, platina, silver och palladium beter sig däremot annorlunda. På grund av sin låga benägenhet att oxidera motstår de ultraljudsbehandlingen och behåller sina ursprungliga strukturer och egenskaper.

Bilden ovan visar att ultraljud också kan användas för att skydda aluminiumlegeringar mot korrosion. Till vänster: Fotot av en aluminiumlegering i en starkt korrosiv lösning, och nedanför en elektronmikroskopisk bild av ytan, på vilken en polyelektrolytbeläggning har bildats genom ultraljudsbehandling. Denna beläggning ger skydd mot korrosion i 21 dagar. Till höger: Samma aluminiumlegering utan att ha utsatts för ultraljudsbehandling. Ytan är fullständigt korroderad.

Det faktum att olika metaller reagerar på dramatiskt olika sätt på ultraljudsbehandling kan utnyttjas för innovationer inom materialvetenskapen. Legeringar kan på detta sätt omvandlas till nanokompositer där partiklar av det stabilare materialet innesluts i en porös matris av den mindre stabila metallen. Därigenom uppstår mycket stora ytareor inom ett mycket begränsat utrymme, vilket gör att dessa nanokompositer kan användas som katalysatorer. De åstadkommer särskilt snabba och effektiva kemiska reaktioner.

Tillsammans med Dr. Daria Andreeva bidrog forskarna Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez och Jana Schäferhans, även de från institutionen för fysikalisk kemi II, till forskningsresultaten. Tillsammans med sina kollegor vid Max Planck-institutet för kolloider och gränsytor i Golm, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH och Vitryska statliga universitetet i Minsk har de publicerat sina senaste resultat på nätet i tidskriften ”Nanoscale”.