Ультразвукове наноструктурування для отримання пористих металів

Сонохімія є дуже ефективним інструментом для інженерії та функціоналізації наноматеріалів. У металургії ультразвукове опромінення сприяє утворенню пористих металів. Дослідницька група доктора Дар'ї Андрєєвої розробила ефективну та економічно вигідну процедуру отримання мезопористих металів за допомогою ультразвуку.

Пористі метали привертають високий інтерес з боку багатьох технологічних галузей завдяки своїм видатним характеристикам, таким як стійкість до корозії, механічна міцність і здатність витримувати надзвичайно високі температури. Ці властивості засновані на наноструктурованих поверхнях з порами, діаметром всього кілька нанометрів. Мезопористі матеріали характеризуються розмірами пози від 2 до 50 нм, тоді як мікропористі матеріали мають розмір пор менше 2 нм. Міжнародна дослідницька група, до складу якої входить доктор Дарія Андрєєва з Байройтського університету (кафедра фізичної хімії II), успішно розробила надміцну та економічно ефективну процедуру ультразвуку для проектування та виробництва таких металевих конструкцій.

Під час цього процесу метали обробляються у водному розчині таким чином, що порожнини в кілька нанометрів еволюціонують у точно визначених проміжках. Для цих конструкцій, виготовлених за індивідуальним замовленням, вже існує широкий спектр інноваційних застосувань, включаючи очищення повітря, зберігання енергії або медичні технології. Особливо перспективним є використання пористих металів в нанокомпозитах. Це новий клас композитних матеріалів, в яких дуже тонка матрична структура заповнена частинками розміром до 20 нанометрів.

Нова методика використовує процес утворення бульбашок ультразвуковим шляхом, який у фізиці називається кавітацією (походить від лат. “порожнистий” = “Порожнистий”). У мореплавстві цього процесу побоюються через велику шкоду, яку він може завдати судновим гвинтам і турбінам. Адже при дуже високих швидкостях обертання під водою утворюються бульбашки пари. Через короткий проміжок часу під надзвичайно високим тиском бульбашки руйнуються всередину, деформуючи таким чином металеві поверхні. Процес проведення Кавітації Також може бути отриманий за допомогою ультразвуку. Ультразвук складається з компресійних хвиль з частотами, що перевищують чутний діапазон (20 кГц) і генерує вакуумні бульбашки у воді та водних розчинах. Температура в кілька тисяч градусів за Цельсієм і надзвичайно високий тиск до 1000 бар виникають, коли ці бульбашки вибухають.

На схемі вище показаний вплив акустичної кавітації на модифікацію металевих частинок. Метали з низькою температурою плавлення (МП) у вигляді цинку (Zn) повністю окислюються; метали з високою температурою плавлення, такі як нікель (Ni) і титан (Ti), виявляють модифікацію поверхні під впливом ультразвуку. Алюміній (Al) і магній (Mg) утворюють мезопористі структури. Нобелівські метали стійкі до ультразвукового опромінення завдяки своїй стійкості проти окислення. Температури плавлення металів вказуються в градусах Кельвіна (К).

Точне управління цим процесом може привести до цілеспрямованого наноструктурування металів, зважених у водному розчині – за умови певних фізико-хімічних характеристик металів. Адже метали дуже по-різному реагують при впливі такого звуку, як показала доктор Дар'я Андрєєва разом зі своїми колегами в Гольфмі, Берліні та Мінську. У металах з високою реакційною здатністю, таких як цинк, алюміній і магній, поступово утворюється матрична структура, стабілізована оксидним покриттям. В результаті утворюються пористі метали, які можуть, наприклад, бути додатково оброблені в композитних матеріалах. Однак благородні метали, такі як золото, платина, срібло і паладій, поводяться по-різному. Завдяки низькій схильності до окислення вони протистоять обробці ультразвуком і зберігають свої початкові структури і властивості.

На малюнку вище видно, що ультразвук може використовуватися і для захисту алюмінієвих сплавів від корозії. Зліва: Фотографія алюмінієвого сплаву в сильно корозійному розчині, нижче електромікроскопічне зображення поверхні, на якій – внаслідок звукового дослідження – утворилося поліелектролітне покриття. Це покриття забезпечує захист від корозії протягом 21 дня. Праворуч: той самий алюмінієвий сплав, який не піддавався ультразвуковому впливу. Поверхня повністю піддається корозії.

Той факт, що різні метали абсолютно по-різному реагують на ультразвук, може бути використаний для інновацій у матеріалознавстві. Сплави можуть бути перетворені таким чином в нанокомпозити, в яких частинки більш стабільного матеріалу укладені в пористу матрицю менш стабільного металу. Таким чином, в дуже обмеженому просторі виникають дуже великі площі поверхні, які дозволяють використовувати ці нанокомпозити в якості каталізаторів. Вони впливають на особливо швидкі та ефективні хімічні реакції.

Разом з доктором Дар'єю Андрєєвою наукові співробітники професор доктор Андреас Фері, доктор Ніколя Пазос-Перес і Яна Шеферханс, також з кафедри фізичної хімії II, зробили свій внесок у результати досліджень. Разом зі своїми колегами з Інституту колоїдів та інтерфейсів імені Макса Планка в Голмі, Берлінського центру імені Гельмгольца та Німецького державного університету в Мінську вони опублікували свої останні результати в Інтернеті в журналі “Нанорозмірні”.