โครงสร้างนาโนอัลตราโซนิกเพื่อผลิตโลหะที่มีรูพรุน

โซโนเคมี เป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพมากสําหรับวิศวกรรมและการทํางานของวัสดุนาโน ในโลหะวิทยาการฉายรังสีอัลตราโซนิกส่งเสริมการก่อตัวของโลหะที่มีรูพรุน กลุ่มวิจัยของ Dr. Daria Andreeva ได้พัฒนาขั้นตอนการใช้อัลตราซาวนด์ที่มีประสิทธิภาพและคุ้มค่าในการผลิตโลหะที่มีรูพอร์

โลหะที่มีรูพรุนดึงดูดความสนใจสูงของสาขาเทคโนโลยีท่อร่วมเนื่องจากคุณสมบัติที่โดดเด่นเช่นความต้านทานการกัดกร่อนความแข็งแรงเชิงกลและความสามารถในการทนต่ออุณหภูมิสูงมาก คุณสมบัติเหล่านี้ขึ้นอยู่กับพื้นผิวที่มีโครงสร้างนาโนที่มีรูพรุนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียงไม่กี่นาโนเมตร วัสดุ Mesoporous มีลักษณะเป็นขนาดท่าทางระหว่าง 2 ถึง 50 นาโนเมตร ในขณะที่วัสดุที่มีรูพรุนขนาดเล็กมีขนาดรูพรุนน้อยกว่า 2 นาโนเมตร ทีมวิจัยนานาชาติรวมถึง Dr. Daria Andreeva จากมหาวิทยาลัย Bayreuth (ภาควิชาเคมีกายภาพ II) ประสบความสําเร็จในการพัฒนาขั้นตอนอัลตราซาวนด์ที่หนักหน่วงและคุ้มค่าสําหรับการออกแบบและการผลิตโครงสร้างโลหะดังกล่าว

ในกระบวนการนี้ โลหะจะได้รับการบําบัดในสารละลายที่เป็นน้ําในลักษณะที่โพรงไม่กี่นาโนเมตรวิวัฒนาการในช่องว่างที่กําหนดไว้อย่างแม่นยํา สําหรับโครงสร้างที่ออกแบบมาโดยเฉพาะเหล่านี้มีการใช้งานที่เป็นนวัตกรรมที่หลากหลายอยู่แล้วรวมถึงการทําความสะอาดอากาศการจัดเก็บพลังงานหรือเทคโนโลยีทางการแพทย์ สิ่งที่มีแนวโน้มเป็นพิเศษคือการใช้โลหะที่มีรูพรุนในนาโนคอมโพสิต สิ่งเหล่านี้เป็นวัสดุคอมโพสิตคลาสใหม่ซึ่งโครงสร้างเมทริกซ์ที่ละเอียดมากเต็มไปด้วยอนุภาคที่มีขนาดสูงถึง 20 นาโนเมตร

เทคนิคใหม่นี้ใช้กระบวนการสร้างฟองอากาศที่สร้างขึ้นด้วยอัลตราโซนิก ซึ่งเรียกว่าโพรงอากาศในฟิสิกส์ (ได้มาจากละติจูด “คาวัส” = “กลวง”). ในการเดินเรือกระบวนการนี้น่ากลัวเนื่องจากความเสียหายอย่างมากที่อาจเกิดขึ้นกับใบพัดและกังหันของเรือ สําหรับความเร็วในการหมุนที่สูงมากฟองไอน้ําจะก่อตัวขึ้นใต้น้ํา หลังจากช่วงเวลาสั้น ๆ ภายใต้ความดันสูงมากฟองอากาศจะยุบตัวลงด้านในจึงทําให้พื้นผิวโลหะเสียรูป กระบวนการของ โพรงอากาศ นอกจากนี้ยังสามารถสร้างได้โดยใช้อัลตราซาวนด์ อัลตราซาวนด์ประกอบด้วยคลื่นอัดที่มีความถี่สูงกว่าช่วงเสียง(20 kHz) และสร้างฟองสูญญากาศในน้ําและสารละลายในน้ํา อุณหภูมิหลายพันองศาเซลเซียสและความดันสูงมากถึง 1,000 บาร์เกิดขึ้นเมื่อฟองอากาศเหล่านี้ระเบิด

โครงร่างข้างต้นแสดงผลกระทบของโพรงอากาศอะคูสติกต่อการดัดแปลงอนุภาคโลหะ โลหะที่มีจุดหลอมเหลวต่ํา (MP) เป็นสังกะสี (Zn) จะถูกออกซิไดซ์อย่างสมบูรณ์ โลหะที่มีจุดหลอมเหลวสูงเช่นนิกเกิล (Ni) และไททาเนียม (Ti) แสดงการดัดแปลงพื้นผิวภายใต้การสะท้อนเสียง อลูมิเนียม (Al) และแมกนีเซียม (Mg) ก่อตัวเป็นโครงสร้างมีโซพอร์ โลหะโนเบลมีความทนทานต่อการฉายรังสีอัลตราซาวนด์เนื่องจากมีความเสถียรต่อการเกิดออกซิเดชัน จุดหลอมเหลวของโลหะระบุเป็นองศาเคลวิน (K)

การควบคุมกระบวนการนี้อย่างแม่นยําอาจนําไปสู่โครงสร้างนาโนเป้าหมายของโลหะที่แขวนลอยอยู่ในสารละลายที่เป็นน้ํา เนื่องจากลักษณะทางกายภาพและทางเคมีบางอย่างของโลหะ สําหรับโลหะมีปฏิกิริยาแตกต่างกันมากเมื่อสัมผัสกับ sonication ดังกล่าว ดังที่ Dr. Daria Andreeva ร่วมกับเพื่อนร่วมงานของเธอใน Golm, Berlin และ Minsk ได้แสดงให้เห็น ในโลหะที่มีปฏิกิริยาสูง เช่น สังกะสี อะลูมิเนียม และแมกนีเซียม โครงสร้างเมทริกซ์จะค่อยๆ ก่อตัวขึ้น เสถียรด้วยการเคลือบออกไซด์ ส่งผลให้เกิดโลหะที่มีรูพรุนซึ่งสามารถแปรรูปเพิ่มเติมในวัสดุคอมโพสิตได้ อย่างไรก็ตาม โลหะมีค่า เช่น ทองคํา แพลตตินั่ม เงิน และแพลเลเดียมมีพฤติกรรมแตกต่างกัน เนื่องจากแนวโน้มการเกิดออกซิเดชันต่ําจึงต่อต้านการรักษาด้วยอัลตราซาวนด์และคงโครงสร้างและคุณสมบัติเริ่มต้นไว้

ภาพด้านบนแสดงให้เห็นว่าอัลตราซาวนด์ยังสามารถใช้เพื่อป้องกันโลหะผสมอลูมิเนียมจากการกัดกร่อนได้ ทางด้านซ้าย: ภาพถ่ายของอลูมิเนียมอัลลอยด์ในสารละลายที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูงด้านล่างภาพอิเล็กโทรโมสโคปของพื้นผิวซึ่งเนื่องจากการ sonication ได้เกิดการเคลือบโพลีอิเล็กโทรไลต์ การเคลือบนี้ช่วยป้องกันการกัดกร่อนเป็นเวลา 21 วัน ทางด้านขวา: อลูมิเนียมอัลลอยด์ชนิดเดียวกันโดยไม่ต้องสัมผัสกับ sonication พื้นผิวสึกกร่อนอย่างสมบูรณ์

ความจริงที่ว่าโลหะที่แตกต่างกันทําปฏิกิริยาในลักษณะที่แตกต่างกันอย่างมากต่อการ sonication สามารถนํามาใช้เพื่อนวัตกรรมในวัสดุศาสตร์ โลหะผสมสามารถแปลงเป็นนาโนคอมโพสิตซึ่งอนุภาคของวัสดุที่มีความเสถียรมากขึ้นจะถูกห่อหุ้มไว้ในเมทริกซ์ที่มีรูพรุนของโลหะที่มีความเสถียรน้อยกว่า พื้นที่ผิวที่ใหญ่มากจึงเกิดขึ้นในพื้นที่ จํากัด ซึ่งทําให้สามารถใช้นาโนคอมโพสิตเหล่านี้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาได้ มีผลต่อปฏิกิริยาเคมีที่รวดเร็วและมีประสิทธิภาพเป็นพิเศษ

ร่วมกับ Dr. Daria Andreeva นักวิจัย Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez และ Jana Schäferhans จากภาควิชาเคมีกายภาพ II มีส่วนร่วมในผลการวิจัย กับเพื่อนร่วมงานที่ Max Planck Institute of Colloids and Interfaces ใน Golm, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH และ Belarusian State University ในมินสก์ พวกเขาได้ตีพิมพ์ผลลัพธ์ล่าสุดทางออนไลน์ในวารสาร “นาโนสเกล”.