Ultraljud nanostrukturering för att producera porösa metaller

Sonokemi är ett mycket effektivt verktyg för konstruktion och funktionalisering av nanomaterial. Inom metallurgi främjar ultraljudsbestrålningen bildandet av porösa metaller. Dr. Daria Andreevas forskargrupp utvecklade en effektiv och kostnadseffektiv ultraljudsassisterad procedur för att producera mesoporösa metaller.

Porösa metaller drar till sig stort intresse för många tekniska grenar på grund av deras enastående egenskaper såsom deras korrosionsbeständighet, mekaniska hållfasthet och förmågan att motstå extremt höga temperaturer. Dessa egenskaper är baserade på de nanostrukturerade ytorna med porer som bara mäter några nanometer i diameter. Mesoporösa material kännetecknas av posstorlekar mellan 2 och 50 nm, medan mikroporöst material har en porstorlek mindre än 2 nm. En internationell forskargrupp, inklusive Dr. Daria Andreeva vid Bayreuth University (Institutionen för fysikalisk kemi II), har framgångsrikt utvecklat en kraftfull och kostnadseffektiv ultraljudsprocedur för design och produktion av sådana metalliska strukturer.

I denna process behandlas metaller i en vattenlösning på ett sådant sätt att håligheter på några nanometer utvecklas, i exakt definierade luckor. För dessa skräddarsydda strukturer finns det redan ett brett spektrum av innovativa tillämpningar, inklusive luftrening, energilagring eller medicinteknik. Särskilt lovande är användningen av porösa metaller i nanokompositer. Dessa är en ny klass av kompositmaterial, där en mycket fin matrisstruktur är fylld med partiklar som varierar i storlek upp till 20 nanometer.

Den nya tekniken använder en process för ultraljudsgenererad bubbelbildning, som inom fysiken kallas kavitation (härledd från lat. “Cavus” = “ihålig”). Inom sjöfarten är denna process fruktad på grund av de stora skador den kan orsaka på fartygspropellrar och turbiner. För vid mycket höga rotationshastigheter bildas ångbubblor under vatten. Efter en kort period under extremt högt tryck kollapsar bubblorna inåt och deformerar därmed de metalliska ytorna. Processen för att Kavitation Kan också genereras med hjälp av ultraljud. Ultraljud består av kompressionsvågor med frekvenser över det hörbara området (20 kHz) och genererar vakuumbubblor i vatten och vattenlösningar. Temperaturer på flera tusen grader Celsius och extremt höga tryck på upp till 1000 bar uppstår när dessa bubblor imploderar.

Schemat ovan visar effekterna av akustisk kavitation på modifiering av metallpartiklar. Metaller med låg smältpunkt (MP) som zink (Zn) oxideras fullständigt; metaller med hög smältpunkt som nickel (Ni) och titan (Ti) uppvisar ytmodifiering under ultraljudsbehandling. Aluminium (Al) och magnesium (Mg) bildar mesoporösa strukturer. Nobelmetaller är resistenta mot ultraljudsstrålning på grund av deras stabilitet mot oxidation. Smältpunkterna för metallerna anges i grader Kelvin (K).

En exakt kontroll av denna process kan leda till en riktad nanostrukturering av metaller suspenderade i en vattenlösning – givet vissa fysikaliska och kemiska egenskaper hos metallerna. För metaller reagerar mycket olika när de utsätts för sådan ultraljudsbehandling, som Dr. Daria Andreeva tillsammans med sina kollegor i Golm, Berlin och Minsk har visat. I metaller med hög reaktivitet som zink, aluminium och magnesium bildas gradvis en matrisstruktur som stabiliseras av en oxidbeläggning. Detta resulterar i porösa metaller som till exempel kan bearbetas vidare i kompositmaterial. Ädelmetaller som guld, platina, silver och palladium beter sig dock olika. På grund av sin låga oxidationstendens motstår de ultraljudsbehandlingen och behåller sina ursprungliga strukturer och egenskaper.

Bilden ovan visar att ultraljud även kan användas för att skydda aluminiumlegeringar mot korrosion. Till vänster: Fotot av en aluminiumlegering i en mycket frätande lösning, under en elektromikroskopisk bild av ytan, på vilken – på grund av ultraljudsbehandling – en polyelektolytbeläggning har bildats. Denna beläggning ger ett skydd mot korrosion i 21 dagar. Till höger: Samma aluminiumlegering utan att ha utsatts för ultraljudsbehandling. Ytan är helt korroderad.

Det faktum att olika metaller reagerar på dramatiskt olika sätt på ultraljudsbehandling kan utnyttjas för innovationer inom materialvetenskap. Legeringar kan omvandlas på ett sådant sätt till nanokompositer där partiklar av det mer stabila materialet är inneslutna i en porös matris av den mindre stabila metallen. På så sätt uppstår mycket stora ytor på ett mycket begränsat utrymme, vilket gör att dessa nanokompositer kan användas som katalysatorer. De har särskilt snabba och effektiva kemiska reaktioner.

Tillsammans med Dr. Daria Andreeva har forskarna Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez och Jana Schäferhans, också vid institutionen för fysikalisk kemi II, bidragit till forskningsresultaten. Tillsammans med sina kollegor vid Max Planck-institutet för kolloider och gränssnitt i Golm, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH och Belarusian State University i Minsk har de publicerat sina senaste resultat online i tidskriften “Nanoskala”.