การสร้างโครงสร้างระดับนาโนด้วยอัลตราโซนิกเพื่อผลิตโลหะพรุน

โซโนเคมี เป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพอย่างยิ่งสำหรับการออกแบบทางวิศวกรรมและการปรับหมู่ฟังก์ชันของวัสดุนาโน ในงานโลหวิทยา การฉายคลื่นอัลตราโซนิกส่งเสริมการเกิดโลหะพรุน กลุ่มวิจัยของ Dr. Daria Andreeva ได้พัฒนากระบวนการที่ใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ช่วยในการผลิตโลหะที่มีรูพรุนขนาดเมโซ ซึ่งมีประสิทธิภาพและคุ้มค่าด้านต้นทุน

โลหะพรุนได้รับความสนใจอย่างมากจากสาขาเทคโนโลยีหลากหลายแขนง เนื่องจากมีคุณสมบัติที่โดดเด่น เช่น ความต้านทานการกัดกร่อน ความแข็งแรงเชิงกล และความสามารถในการทนต่ออุณหภูมิที่สูงอย่างยิ่ง คุณสมบัติเหล่านี้เกิดจากพื้นผิวที่มีโครงสร้างระดับนาโน ซึ่งมีรูพรุนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียงไม่กี่นาโนเมตร วัสดุที่มีรูพรุนขนาดเมโซมีขนาดรูพรุนระหว่าง 2 ถึง 50 nm ขณะที่วัสดุที่มีรูพรุนขนาดไมโครมีขนาดรูพรุนต่ำกว่า 2nm ทีมวิจัยนานาชาติซึ่งมี Dr. Daria Andreeva จากมหาวิทยาลัยไบรอยท์ (ภาควิชาเคมีเชิงฟิสิกส์ II) ร่วมอยู่ด้วย ได้ประสบความสำเร็จในการพัฒนากระบวนการอัลตราซาวนด์ที่รองรับงานหนักและคุ้มค่าด้านต้นทุน สำหรับการออกแบบและผลิตโครงสร้างโลหะดังกล่าว

ในกระบวนการนี้ โลหะได้รับการบำบัดในสารละลายที่มีน้ำเป็นตัวทำละลายในลักษณะที่ทำให้เกิดโพรงขนาดไม่กี่นาโนเมตรตามช่องว่างที่กำหนดไว้อย่างแม่นยำ โครงสร้างที่ออกแบบเฉพาะเหล่านี้มีการประยุกต์ใช้งานเชิงนวัตกรรมที่หลากหลายอยู่แล้ว รวมถึงการทำความสะอาดอากาศ การกักเก็บพลังงาน หรือเทคโนโลยีทางการแพทย์ การใช้โลหะพรุนในวัสดุนาโนคอมโพสิตมีแนวโน้มที่ดีเป็นพิเศษ วัสดุเหล่านี้เป็นวัสดุคอมโพสิตประเภทใหม่ ซึ่งมีอนุภาคขนาดสูงสุดถึง 20 นาโนเมตรเติมอยู่ในโครงสร้างเมทริกซ์ที่ละเอียดมาก

เทคนิคใหม่นี้ใช้กระบวนการเกิดฟองที่สร้างขึ้นด้วยคลื่นอัลตราโซนิก ซึ่งในทางฟิสิกส์เรียกว่า คาวิเทชัน (มาจากคำภาษาละติน “cavus” = “กลวง”) ในการเดินเรือ กระบวนการนี้เป็นสิ่งที่น่าหวั่นเกรงเนื่องจากอาจสร้างความเสียหายอย่างมากต่อใบจักรเรือและกังหัน เพราะที่ความเร็วรอบสูงมาก ฟองไอน้ำจะก่อตัวใต้น้ำ หลังจากอยู่ภายใต้ความดันสูงอย่างยิ่งเป็นเวลาสั้น ๆ ฟองเหล่านี้จะยุบตัวเข้าด้านใน ส่งผลให้พื้นผิวโลหะเสียรูป กระบวนการ คาวิเทชัน ยังสามารถสร้างขึ้นได้ด้วยคลื่นอัลตราซาวนด์ คลื่นอัลตราซาวนด์ประกอบด้วยคลื่นอัดที่มีความถี่สูงกว่าช่วงที่ได้ยิน (20 kHz) และทำให้เกิดฟองสุญญากาศในน้ำและสารละลายที่มีน้ำเป็นตัวทำละลาย เมื่อฟองเหล่านี้ยุบตัวเข้าด้านใน จะเกิดอุณหภูมิหลายพันองศาเซนติเกรดและความดันสูงอย่างยิ่งสูงสุดถึง 1000 bar

แผนภาพด้านบนแสดงผลของคาวิเทชันเชิงเสียงต่อการปรับเปลี่ยนอนุภาคโลหะ โลหะที่มีจุดหลอมเหลว (MP) ต่ำ เช่น สังกะสี (Zn) จะถูกออกซิไดซ์อย่างสมบูรณ์ ส่วนโลหะที่มีจุดหลอมเหลวสูง เช่น นิกเกิล (Ni) และไทเทเนียม (Ti) จะเกิดการปรับเปลี่ยนพื้นผิวเมื่อได้รับคลื่นอัลตราซาวนด์ อะลูมิเนียม (Al) และแมกนีเซียม (Mg) จะก่อตัวเป็นโครงสร้างที่มีรูพรุนขนาดเมโซ โลหะมีตระกูลทนต่อการฉายคลื่นอัลตราซาวนด์เนื่องจากมีเสถียรภาพต่อการเกิดออกซิเดชัน จุดหลอมเหลวของโลหะระบุเป็นองศาเคลวิน (K)

การควบคุมกระบวนการนี้อย่างแม่นยำอาจนำไปสู่การสร้างโครงสร้างระดับนาโนตามเป้าหมายของโลหะที่แขวนลอยในสารละลายที่มีน้ำเป็นตัวทำละลาย – ภายใต้เงื่อนไขคุณลักษณะทางกายภาพและทางเคมีบางประการของโลหะ เนื่องจากโลหะตอบสนองแตกต่างกันอย่างมากเมื่อได้รับคลื่นอัลตราซาวนด์ดังกล่าว ตามที่ Dr. Daria Andreeva และเพื่อนร่วมงานของเธอในโกล์ม เบอร์ลิน และมินสค์ได้แสดงให้เห็น ในโลหะที่มีความไวต่อปฏิกิริยาสูง เช่น สังกะสี อะลูมิเนียม และแมกนีเซียม โครงสร้างเมทริกซ์จะค่อย ๆ ก่อตัวขึ้น โดยมีชั้นเคลือบออกไซด์ช่วยให้โครงสร้างมีเสถียรภาพ ผลที่ได้คือโลหะพรุน ซึ่งสามารถนำไปแปรรูปต่อได้ เช่น ใช้ในวัสดุคอมโพสิต อย่างไรก็ตาม โลหะมีตระกูล เช่น ทองคำ แพลทินัม เงิน และแพลเลเดียม มีพฤติกรรมแตกต่างออกไป เนื่องจากมีแนวโน้มการเกิดออกซิเดชันต่ำ โลหะเหล่านี้จึงทนต่อการบำบัดด้วยคลื่นอัลตราซาวนด์และคงโครงสร้างและคุณสมบัติเริ่มต้นไว้

ภาพด้านบนแสดงให้เห็นว่าคลื่นอัลตราซาวนด์ยังสามารถใช้ป้องกันโลหะผสมอะลูมิเนียมจากการกัดกร่อนได้ ด้านซ้าย: ภาพถ่ายของโลหะผสมอะลูมิเนียมในสารละลายที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูง ด้านล่างเป็นภาพพื้นผิวจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ซึ่งมีชั้นเคลือบพอลิอิเล็กโทรไลต์ก่อตัวขึ้น – เนื่องจากการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ – ชั้นเคลือบนี้ป้องกันการกัดกร่อนได้นาน 21 วัน ด้านขวา: โลหะผสมอะลูมิเนียมชนิดเดียวกันที่ไม่ได้รับคลื่นอัลตราซาวนด์ พื้นผิวถูกกัดกร่อนอย่างสมบูรณ์

ข้อเท็จจริงที่ว่าโลหะต่างชนิดตอบสนองต่อคลื่นอัลตราซาวนด์แตกต่างกันอย่างมาก สามารถนำมาใช้เพื่อสร้างนวัตกรรมด้านวัสดุศาสตร์ได้ โลหะผสมสามารถเปลี่ยนเป็นวัสดุนาโนคอมโพสิตในลักษณะที่อนุภาคของวัสดุที่มีเสถียรภาพมากกว่าถูกห่อหุ้มอยู่ในเมทริกซ์พรุนของโลหะที่มีเสถียรภาพน้อยกว่า จึงเกิดพื้นที่ผิวขนาดใหญ่มากภายในพื้นที่ที่จำกัดมาก ทำให้วัสดุนาโนคอมโพสิตเหล่านี้สามารถใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาได้ โดยทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีที่รวดเร็วและมีประสิทธิภาพเป็นพิเศษ

นอกจาก Dr. Daria Andreeva แล้ว นักวิจัย Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez และ Jana Schäferhans ซึ่งอยู่ในภาควิชาเคมีเชิงฟิสิกส์ II เช่นกัน ได้มีส่วนร่วมในผลการวิจัยนี้ พวกเขาได้เผยแพร่ผลการวิจัยล่าสุดทางออนไลน์ในวารสาร “Nanoscale” ร่วมกับเพื่อนร่วมงานที่สถาบัน Max Planck ด้านคอลลอยด์และรอยต่อระหว่างเฟสในโกล์ม, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH และมหาวิทยาลัยแห่งรัฐเบลารุสในมินสค์