sonochemistry är ett mycket effektivt verktyg för att iscensätta och funktionalisera nanomaterial. Inom metallurgi, främjar ultraljud bestrålning bildandet av porösa metaller. Forskar gruppen Dr Daria Andreeva utvecklat ett effektivt och kostnads effektivt ultraljud-Assisted förfarande för att producera mesoporösa metaller.

Porösa metaller lockar stort intresse av gren rör tekniska grenar på grund av deras enastående egenskaper såsom deras korrosions beständighet, mekanisk hållfasthet och förmåga att motstå mycket höga temperaturer. Dessa egenskaper är baserade på nanostrukturerade ytor med porer som mäter endast ett fåtal nanometer i diameter. Mesoporösa material kännetecknas av pose storlekar mellan 2 till 50 nm, medan mikroporösa material har en porstorlek mindre än 2Nm. En internationell forskar grupp inklusive Dr Daria Andreeva av Bayreuth University (Institutionen för fysikalisk kemi II) har framgångs rikt utvecklat ett tungt och kostnads effektivt ultraljud förfarande för konstruktion och produktion av sådana metalliska strukturer .

I denna process, metaller behandlas i en vatten lösning på ett sådant sätt att håligheter av några nanometer utvecklas, i exakt definierade luckor. För dessa skräddarsydda strukturer finns det redan ett brett spektrum av innovativa tillämpningar, inklusive luft rening, energi lagring eller medicinsk teknik. Särskilt lovande är användningen av porösa metaller i nanokompositer. Dessa är en ny klass av komposit material, där en mycket fin matris struktur är fylld med partiklar som varierar i storlek upp till 20 nanometer.

Den nya tekniken använder en process av ultraljud genererade bubbla formation, som kallas kavitation i fysik (härrör från lat. “Cavus” = “Ihåliga”). Inom sjöfarten befaras denna process på grund av den stora skada den kan orsaka för att skeppa propellrar och turbiner. Vid mycket höga rotations hastigheter bildas ång bubblor under vatten. Efter en kort period under extremt högt tryck kollapsar bubblorna inåt, vilket deformeras metalliska ytor. Processen med att kavitation kan också genereras med hjälp av ultraljud. Ultraljud består av kompressionella vågor med frekvenser ovanför det hörbara intervallet (20 kHz) och genererar vakuum bubblor i vatten och vattenhaltiga lösningar. Temperaturer på flera tusen grader Celsius och extremt höga tryck på upp till 1000 bar uppstår när dessa bubblor imploderar.

Systemet ovan visar effekterna av akustisk kavitation på modifiering av metall partiklar. Metaller med låg smält punkt (MP) som zink (Zn) är helt oxiderade; metaller med en hög smält punkt som nickel (ni) och Titan (TI) uppvisar ytmodifiering under ultraljudsbehandling. Aluminium (Al) och magnesium (mg) bildar mesoporösa strukturer. Nobel metaller är resistenta mot ultraljud bestrålning på grund av deras stabilitet mot oxidation. Smält punkterna för metallerna specificeras i grader Kelvin (K).

En noggrann kontroll av denna process kan leda till en riktad nanostrukturering av metaller suspenderade i en vatten lösning – med tanke på vissa fysikaliska och kemiska egenskaper hos metallerna. För metaller reagerar mycket annorlunda när de utsätts för sådana 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 mat ris struktur som stabiliseras med en oxid beläggning. Detta resulterar i porösa metaller som till exempel kan bearbetas vidare i komposit material. Ädel metaller som guld, platina, silver och Palladium beter sig dock annorlunda. På grund av deras låga oxidations tendens, de motstå ultraljud behandling och behålla sina ursprungliga strukturer och egenskaper.

Bilden ovan visar att ultraljud även kan användas för att skydda aluminiumlegeringar mot korrosion. Till vänster: bilden av en aluminiumlegering i en mycket frätande lösning, under en electomicroscopic bild av ytan, som-på grund av ultraljudsbehandling-en polyelectolyte beläggning 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 att ultraljudsbehandling kan utnyttjas för innovationer inom material vetenskap. Legeringar kan omvandlas på ett sådant sätt till nanokompositer där partiklar av mer stabilt material är inneslutna i en porös matris av mindre stabil metall. Mycket stora ytområden uppstår således i mycket begränsat utrymme, som gör att dessa nanokompositer kan användas som katalysatorer. De verkställer bestämt snabba och effektiva kemiska reaktioner.

Tillsammans med Dr Daria Andreeva, forskarna prof. Dr. Andreas Fery, Dr Nicolas Pazos-Perez och Jana Schäferhans, även av Institutionen för fysikalisk kemi II, bidrog till forsknings resultat. Med sina kollegor på Max Planck Institute of Colloids and interfaces i Golm, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH och Vitrysslands statliga universitet i Minsk, har de publicerat sina senaste resultat på nätet i tid skriften “Nanoskala”.