Ультразвукова наноструктурація для виробництва пористих металів

Сонохімія є дуже ефективним інструментом для інженерії та функціоналізації наноматеріалів. У металургії ультразвукове опромінення сприяє утворенню пористих металів. Дослідницька група д-ра Дарії Андрєєвої розробила ефективну та економічно вигідну процедуру з використанням ультразвуку для виробництва мезопористих металів.

Пористі метали привертають високий інтерес різноманітних технологічних галузей завдяки своїм видатним характеристикам, таким як корозійна стійкість, механічна міцність та здатність витримувати надзвичайно високі температури. Ці властивості базуються на наноструктурованих поверхнях з порами діаметром лише кілька нанометрів. Мезопористі матеріали характеризуються розмірами пор від 2 до 50 nm, тоді як мікропористі матеріали мають розмір пор менше 2nm. Міжнародна дослідницька група, до складу якої входить д-р Дарія Андрєєва з Університету Байройта (Кафедра фізичної хімії II), успішно розробила потужну та економічно вигідну ультразвукову процедуру для проектування та виробництва таких металевих структур.

У цьому процесі метали обробляються у водному розчині таким чином, щоб утворилися порожнини розміром у кілька нанометрів у точно визначених проміжках. Для цих індивідуально виготовлених структур вже існує широкий спектр інноваційних застосувань, включаючи очищення повітря, накопичення енергії або медичну техніку. Особливо перспективним є використання пористих металів у нанокомпозитах. Це новий клас композитних матеріалів, у яких дуже дрібна матрична структура заповнена частинками розміром до 20 нанометрів.

Нова техніка використовує процес утворення бульбашок, згенерованих ультразвуком, який у фізиці називається кавітацією (походить від лат. “cavus” = “порожнистий”). У мореплавстві цей процес викликає страх через величезні пошкодження, які він може завдати гвинтам кораблів та турбінам. Бо при дуже високих швидкостях обертання під водою утворюються бульбашки пари. Після короткого періоду під надзвичайно високим тиском бульбашки колапсують всередину, деформуючи таким чином металеві поверхні. Процес кавітації також можна генерувати за допомогою ультразвуку. Ультразвук складається з хвиль стиснення з частотами вище діапазону чутності (20 kHz) і генерує вакуумні бульбашки у воді та водних розчинах. Коли ці бульбашки імплодують, виникають температури в кілька тисяч градусів Цельсія та надзвичайно високі тиски до 1000 bar.

Наведена вище схема показує вплив акустичної кавітації на модифікацію металевих частинок. Метали з низькою температурою плавлення (MP), такі як цинк (Zn), повністю окислюються; метали з високою температурою плавлення, такі як нікель (Ni) та титан (Ti), демонструють модифікацію поверхні під час ультразвукової обробки. Алюміній (Al) та магній (Mg) утворюють мезопористі структури. Благородні метали стійкі до ультразвукового опромінення завдяки їхній стійкості до окислення. Температури плавлення металів вказані в градусах Кельвіна (K).

Точний контроль цього процесу може призвести до цільової наноструктурації металів, розподілених у водному розчині – за умови певних фізичних та хімічних характеристик металів. Бо метали реагують дуже по-різному при такій ультразвуковій обробці, як показали д-р Дарія Андрєєва разом зі своїми колегами у Гольмі, Берліні та Мінську. У металах з високою реакційною здатністю, таких як цинк, алюміній та магній, поступово формується матрична структура, стабілізована оксидним покриттям. Це призводить до утворення пористих металів, які, наприклад, можна подальше обробляти у композитних матеріалах. Благородні метали, такі як золото, платина, срібло та паладій, однак, поводяться інакше. Через їхню низьку схильність до окислення вони чинять опір ультразвуковій обробці та зберігають свої початкові структури та властивості.

Наведена вище фотографія показує, що ультразвук також можна використовувати для захисту алюмінієвих сплавів від корозії. Зліва: Фотографія алюмінієвого сплаву у highly corrosive solution, нижче – електронно-мікроскопічне зображення поверхні, на якій – внаслідок ультразвукової обробки – утворилося поліелектролітне покриття. Це покриття забезпечує захист від корозії протягом 21 дня. Справа: Той самий алюмінієвий сплав, який не піддавався ультразвуковій обробці. Поверхня повністю кородована.

Той факт, що різні метали реагують на ультразвукову обробку драматично по-різному, можна використовувати для інновацій у матеріалознавстві. Сплави можна перетворювати таким чином на нанокомпозити, у яких частинки більш стабільного матеріалу вміщені у пористій матриці менш стабільного металу. Таким чином, у дуже обмеженому просторі виникають дуже великі площі поверхні, що дозволяє використовувати ці нанокомпозити як каталізатори. Вони забезпечують особливо швидкі та ефективні хімічні реакції.

Разом з д-ром Дарією Андрєєвою дослідники проф. д-р Андреас Фери, д-р Ніколас Пасос-Перес та Яна Шеферханс, також з кафедри фізичної хімії II, зробили внесок у результати досліджень. Разом зі своїми колегами з Інституту колоїдів та інтерфейсів Макса Планка у Гольмі, Гельмгольц-центру Берліна для матеріалів та енергетики GmbH та Білоруського державного університету в Мінську вони опублікували свої останні результати онлайн у журналі “Nanoscale”.