Gözenekli Metaller Üretmek İçin Ultrasonik Nano Yapılandırma

Sonokimya , nano malzemelerin tasarlanması ve işlevselleştirilmesi için çok etkili bir araçtır. Metalurjide ultrasonik ışınlama, gözenekli metallerin oluşumunu destekler. Dr. Daria Andreeva’nın araştırma grubu, mezogözenekli metaller üretmek için etkili ve maliyet açısından verimli, ultrason destekli bir yöntem geliştirmiştir.

Gözenekli metaller, korozyon direnci, mekanik dayanım ve son derece yüksek sıcaklıklara dayanabilme gibi üstün özellikleri nedeniyle çeşitli teknoloji dallarında büyük ilgi görmektedir. Bu özellikler, çapı yalnızca birkaç nanometre olan gözeneklere sahip nano yapılı yüzeylere dayanır. Mezogözenekli malzemeler, 2 ile 50 nm arasındaki gözenek boyutlarıyla karakterize edilirken mikrogözenekli malzemelerin gözenek boyutu 2nm’den küçüktür. Bayreuth Üniversitesi’nden (Fiziksel Kimya II Bölümü) Dr. Daria Andreeva’nın da yer aldığı uluslararası bir araştırma ekibi, bu tür metalik yapıların tasarımı ve üretimi için yüksek çalışma yüklerine dayanıklı ve maliyet açısından verimli bir ultrason yöntemini başarıyla geliştirmiştir.

Bu süreçte metaller, sulu bir çözelti içinde, hassas biçimde tanımlanmış aralıklarda birkaç nanometrelik boşluklar oluşacak şekilde işlenir. Bu özel tasarlanmış yapılar için hava temizleme, enerji depolama veya tıbbi teknoloji dahil olmak üzere geniş bir yenilikçi uygulama yelpazesi halihazırda mevcuttur. Gözenekli metallerin nanokompozitlerde kullanımı özellikle umut vericidir. Bunlar, çok ince bir matris yapısının boyutları 20 nanometreye kadar ulaşan parçacıklarla doldurulduğu yeni bir kompozit malzeme sınıfıdır.

Yeni teknik, fizikte kavitasyon olarak adlandırılan, ultrasonik olarak oluşturulan kabarcık oluşumu sürecinden yararlanır (Latince “cavus” = “içi boş” sözcüğünden türetilmiştir). Denizcilikte bu süreç, gemi pervanelerine ve türbinlere verebileceği büyük hasar nedeniyle korkulan bir olgudur. Çünkü çok yüksek dönme hızlarında su altında buhar kabarcıkları oluşur. Son derece yüksek basınç altında kısa bir süre sonra kabarcıklar içe doğru çöker ve böylece metalik yüzeyleri deforme eder. Kavitasyon süreci ultrason kullanılarak da oluşturulabilir. Ultrason, işitilebilir aralığın (20 kHz) üzerindeki frekanslara sahip sıkıştırma dalgalarından oluşur ve suda ve sulu çözeltilerde vakum kabarcıkları oluşturur. Bu kabarcıklar içe doğru çöktüğünde birkaç bin santigrat derecelik sıcaklıklar ve 1000 bar’a kadar ulaşan son derece yüksek basınçlar ortaya çıkar.

Yukarıdaki şema, akustik kavitasyonun metal parçacıklarının modifikasyonu üzerindeki etkilerini göstermektedir. Çinko (Zn) gibi düşük erime noktasına (MP) sahip metaller tamamen oksitlenir; nikel (Ni) ve titanyum (Ti) gibi yüksek erime noktasına sahip metaller, sonikasyon altında yüzey modifikasyonu gösterir. Alüminyum (Al) ve magnezyum (Mg), mezogözenekli yapılar oluşturur. Soy metaller, oksitlenmeye karşı kararlılıkları nedeniyle ultrasonik ışınlamaya dirençlidir. Metallerin erime noktaları Kelvin derecesi (K) cinsinden belirtilmiştir.

Bu sürecin hassas biçimde kontrol edilmesi, metallerin belirli fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip olması koşuluyla, sulu bir çözelti içinde süspanse edilmiş metallerin hedeflenen biçimde nano yapılandırılmasını sağlayabilir. Çünkü Dr. Daria Andreeva’nın Golm, Berlin ve Minsk’teki meslektaşlarıyla birlikte gösterdiği gibi, metaller bu tür bir sonikasyona maruz kaldıklarında çok farklı tepkiler verir. Çinko, alüminyum ve magnezyum gibi yüksek reaktiviteye sahip metallerde, bir oksit kaplamasıyla kararlı hale getirilen bir matris yapısı kademeli olarak oluşur. Bunun sonucunda, örneğin kompozit malzemeler içinde daha ileri işlemlere tabi tutulabilen gözenekli metaller elde edilir. Ancak altın, platin, gümüş ve paladyum gibi soy metaller farklı davranır. Oksitlenme eğilimlerinin düşük olması nedeniyle ultrason işlemine direnç gösterir ve başlangıçtaki yapılarını ve özelliklerini korurlar.

Yukarıdaki görsel, ultrasonun alüminyum alaşımlarını korozyona karşı korumak için de kullanılabileceğini göstermektedir. Solda: Son derece korozif bir çözelti içindeki bir alüminyum alaşımının fotoğrafı; altında ise sonikasyon nedeniyle üzerinde bir polielektrolit kaplaması oluşmuş yüzeyin elektron mikroskobu görüntüsü yer almaktadır. Bu kaplama, 21 gün boyunca korozyona karşı koruma sağlar. Sağda: Sonikasyona maruz bırakılmamış aynı alüminyum alaşımı. Yüzey tamamen korozyona uğramıştır.

Farklı metallerin sonikasyona belirgin biçimde farklı tepkiler vermesi, malzeme bilimindeki yenilikler için kullanılabilir. Alaşımlar bu şekilde, daha kararlı malzemenin parçacıklarının daha az kararlı metalin gözenekli bir matrisi içinde çevrelendiği nanokompozitlere dönüştürülebilir. Böylece çok sınırlı bir alanda çok geniş yüzey alanları oluşur ve bu da bu nanokompozitlerin katalizör olarak kullanılmasına olanak tanır. Bunlar özellikle hızlı ve verimli kimyasal reaksiyonlar sağlar.

Dr. Daria Andreeva ile birlikte, yine Fiziksel Kimya II Bölümü’nden araştırmacılar Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez ve Jana Schäferhans da araştırma sonuçlarına katkıda bulunmuştur. Golm’daki Max Planck Kolloidler ve Arayüzler Enstitüsü, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH ve Minsk’teki Belarus Devlet Üniversitesi’nden meslektaşlarıyla birlikte, en son sonuçlarını “Nanoscale” dergisinde çevrimiçi olarak yayımlamışlardır.