Сонохімія є дуже ефективним інструментом для розробки та функціонування наноматеріалів. У металургії ультразвукове опромінення сприяє утворенню пористих металів. Дослідницька група д-ра Дарії Андрєєвої розробила ефективну та економічно ефективну процедуру з ультразвуком для виробництва мезопористих металів.

Пористисті метали привертають високий інтерес до різноманітних технологічних гілок через їх видатні характеристики, такі як їх корозійна стійкість, механічна міцність та здатність витримувати надзвичайно високі температури. Ці властивості ґрунтуються на наноструктурних поверхнях з порами, що вимірюють лише кілька нанометрів у діаметрі. Мезопористий матеріал характеризується розміром пози від 2 до 50 нм, тоді як мікропористий матеріал має розмір пор менше 2 нм. Міжнародна дослідницька група, у тому числі д-р Дарія Андрєєва з Університету Байройта (кафедра фізичної хімії II) успішно розробила процедуру ультразвукової обробки важких та економічно вигідних для розробки та виробництва таких металевих конструкцій.

У цьому процесі метали обробляють у водному розчині таким чином, що еволюціонують порожнини на декілька нанометрів, в точно визначених пробілах. Для цих індивідуальних конструкцій вже існує широкий спектр інноваційних застосувань, включаючи очищення повітря, зберігання енергії або медичні технології. Особливо перспективним є використання пористих металів у нанокомпозитах. Це новий клас композитних матеріалів, в якому дуже тонка матрична структура заповнена частинками розміром до 20 нанометрів.

Нова технологія використовує процес утворення пузирчастого ультразвукового генератора, який називається кавітацією в фізиці (отриманий з лат. “кавус” = “порожній”) У морській справі цей процес побоюється через великий збиток, який він може спричинити для транспортування гвинтів і турбін. Бо при дуже високих швидкостях обертання під воду утворюються парові бульбашки. Після короткого періоду при надзвичайно високому тиску пухири руйнуються всередину, деформуючи металеві поверхні. Процес кавітація може також генеруватися за допомогою ультразвуку. Ультразвук складається з компресійних хвиль з частотами вище звукового діапазону (20 кГц) і генерує вакуумні бульбашки у воді та водних розчинах. Температура декількох тисяч градусів Цельсія та надзвичайно високого тиску до 1000 бар виникає, коли ці бульбашки розмиваються.

Наведена схема показує ефекти акустичної кавітації на модифікацію частинок металу. Метали з низькою температурою плавлення (МП) як цинку (Zn) повністю окислені; метали з високою температурою плавлення, такі як нікель (Ni) і титан (Ti), виявляють модифікацію поверхні при ультразвукової обробці. Алюміній (Al) і магній (Mg) утворюють мезопорозні структури. Нобелівські метали стійкі до ультразвукового опромінення завдяки їх стійкості до окислення. Точки плавлення металів вказані в градусах Кельвіна (К).

Точний контроль над цим процесом може призвести до цільової наноструктуризації металів, суспендованих у водному розчині, з урахуванням певних фізико-хімічних характеристик металів. Якщо метали реагують різним чином під впливом такої ультразвукової обробки, як показала доктор Дарія Андрєєва разом із колегами у Голмі, Берліні та Мінську. У металах з високою реактивністю, такими як цинк, алюміній та магній, поступово утворюється матрична структура, стабілізується оксидним покриттям. Це призводить до пористих металів, які, наприклад, можуть бути додатково оброблені в композитних матеріалах. Однак благородні метали, такі як золото, платина, срібло та паладій, поводяться по-різному. Через низьку тенденцію їх окиснення вони протистоять ультразвуковій обробці та зберігають свої вихідні структури та властивості.

На малюнку вище показано, що ультразвук також може використовуватися для захисту алюмінієвих сплавів від корозії. Зліва: фото алюмінієвого сплаву в сильно корозійному розчині, нижче електромікроскопічного зображення поверхні, на якому - за рахунок ультразвукової обробки - утворилося поліелекотітне покриття. Це покриття забезпечує захист від корозії протягом 21 дня. Праворуч: той же алюмінієвий сплав, який не піддавався обробці ультразвуком. Поверхня повністю корозійна.

Той факт, що різні метали реагують різко різними способами ультразвукової обробки, можуть бути використані для інновацій у матеріалознавстві. Сплави можуть бути перетворені таким чином на нанокомпозити, в яких частинки більш стійкого матеріалу вкриті пористою матрицею менш стабільного металу. Таким чином, дуже великі площі поверхні утворюються в дуже обмеженому просторі, що дозволяє використовувати ці нанокомпозити як каталізатори. Вони забезпечують особливо швидкі та ефективні хімічні реакції.

Разом з доктором Дарією Андрєєвою, результати досліджень сприяли дослідники проф. Д-р Андреас Фері, доктор Ніколя Паос-Перес та Джана Шеферганс, також відділення фізичної хімії II. З їхніми колегами в Інституті колоїдів та інтерфейсів ім. Макса Планка в Гольмі, "Гельмгольц-Центрум Берлін на матеріалі та енергії" та Білоруським державним університетом в Мінську вони опублікували свої останні результати в Інтернеті в журналі “Нанорозмірний”.