Cấu trúc nano siêu âm để sản xuất kim loại xốp
Sonochemistry là một công cụ rất hiệu quả cho kỹ thuật và chức năng hóa vật liệu nano. Trong luyện kim, chiếu xạ siêu âm thúc đẩy sự hình thành các kim loại xốp. Nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Daria Andreeva đã phát triển một quy trình hỗ trợ siêu âm hiệu quả và tiết kiệm chi phí để sản xuất kim loại trung gian.
Kim loại xốp thu hút sự quan tâm cao của các nhánh công nghệ đa tạp do các đặc tính nổi bật của chúng như khả năng chống ăn mòn, độ bền cơ học và khả năng chịu được nhiệt độ cực cao. Những đặc tính này dựa trên các bề mặt có cấu trúc nano với các lỗ rỗng có đường kính chỉ vài nanomet. Vật liệu trung xốp được đặc trưng bởi kích thước tư thế từ 2 đến 50 nm, trong khi vật liệu vi xốp có kích thước lỗ nhỏ hơn 2nm. Một nhóm nghiên cứu quốc tế bao gồm Tiến sĩ Daria Andreeva của Đại học Bayreuth (Khoa Hóa lý II) đã phát triển thành công một quy trình siêu âm nặng nề và tiết kiệm chi phí để thiết kế và sản xuất các cấu trúc kim loại như vậy.
Trong quá trình này, kim loại được xử lý trong dung dịch nước theo cách mà các khoang vài nanomet phát triển, trong các khoảng trống được xác định chính xác. Đối với các cấu trúc được thiết kế riêng này, đã có một loạt các ứng dụng sáng tạo, bao gồm làm sạch không khí, lưu trữ năng lượng hoặc công nghệ y tế. Đặc biệt hứa hẹn là việc sử dụng kim loại xốp trong vật liệu tổng hợp nano. Đây là một loại vật liệu composite mới, trong đó cấu trúc ma trận rất mịn chứa đầy các hạt có kích thước lên đến 20 nanomet.

Tiến sĩ D. Andreeva trình bày quy trình siêu âm các hạt rắn trong huyền phù nước bằng cách sử dụng UIP1000hd máy siêu âm (20 kHz, 1000W). Ảnh của Ch. Wißler

Bản trình bày sơ đồ về ảnh hưởng của xâm thực âm thanh đối với sự biến đổi của các hạt kim loại.
Ảnh của Tiến sĩ D. Andreeva
Sơ đồ trên cho thấy ảnh hưởng của xâm thực âm thanh đối với sự biến đổi của các hạt kim loại. Các kim loại có nhiệt độ nóng chảy (MP) thấp như kẽm (Zn) bị oxy hóa hoàn toàn; kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao như niken (Ni) và titan (Ti) thể hiện sự biến đổi bề mặt dưới quá trình siêu âm. Nhôm (Al) và magiê (Mg) tạo thành cấu trúc trung xốp. Kim loại Nobel có khả năng chống lại bức xạ siêu âm do tính ổn định của chúng chống lại quá trình oxy hóa. Điểm nóng chảy của kim loại được chỉ định bằng độ Kelvin (K).

siêu âm cavitation trong chất lỏng
Hình trên cho thấy siêu âm cũng có thể được sử dụng để bảo vệ hợp kim nhôm chống ăn mòn. Bên trái: Ảnh chụp hợp kim nhôm trong dung dịch ăn mòn cao, bên dưới hình ảnh điện tử của bề mặt, trên đó - do siêu âm hóa - một lớp phủ polyelectolyte đã được hình thành. Lớp phủ này cung cấp khả năng bảo vệ chống ăn mòn trong 21 ngày. Bên phải: Cùng một hợp kim nhôm mà không cần tiếp xúc với siêu âm. Bề mặt bị ăn mòn hoàn toàn.
Thực tế là các kim loại khác nhau phản ứng theo những cách khác nhau đáng kể với quá trình siêu âm hóa có thể được khai thác cho những đổi mới trong khoa học vật liệu. Hợp kim có thể được chuyển đổi theo cách như vậy thành vật liệu tổng hợp nano, trong đó các hạt của vật liệu ổn định hơn được bọc trong một ma trận xốp của kim loại kém ổn định hơn. Do đó, diện tích bề mặt rất lớn phát sinh trong không gian rất hạn chế, cho phép các vật liệu nano này được sử dụng làm chất xúc tác. Chúng tạo ra các phản ứng hóa học đặc biệt nhanh và hiệu quả.
Cùng với Tiến sĩ Daria Andreeva, các nhà nghiên cứu Giáo sư Tiến sĩ Andreas Fery, Tiến sĩ Nicolas Pazos-Perez và Jana Schäferhans, cũng thuộc khoa Hóa lý II, đã đóng góp vào kết quả nghiên cứu. Cùng với các đồng nghiệp của họ tại Viện Keo và Giao diện Max Planck ở Golm, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH và Đại học Quốc gia Belarus ở Minsk, họ đã công bố kết quả mới nhất của mình trực tuyến trên tạp chí “Quy mô nano”.

bộ xử lý siêu âm UIP1000hd cho cấu trúc nano của kim loại
Tham khảo:
- Skorb, Ekaterina V.; Sửa chữa, Dimitri; Shchukin, Dmitry G.; Möhwald, Helmuth; Sviridov, Dmitry V.; Mousa, Rami; Wanderka, Nelia; Schäferhans, Jana; Pazos-Perez, Nicolas; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2011): Sự hình thành sonchemical của bọt biển kim loại. Quy mô nano – Thăng hạng đầu tiên 3/3, 2011. 985-993.
- Wißler, Christian (2011): Cấu trúc nano có độ chính xác cao bằng siêu âm: quy trình mới để sản xuất kim loại xốp. Blick in die Forschung. Mitteilungen der Universität Bayreuth 05, 2011.
Để biết thêm thông tin khoa học, vui lòng liên hệ: Tiến sĩ Daria Andreeva, Khoa Hóa lý II Đại học Bayreuth, 95440 Bayreuth, Đức – Điện thoại: +49 (0) 921 / 55-2750
Email: daria.andreeva@uni-bayreuth.de
Sự thật đáng biết
Máy đồng nhất mô siêu âm thường được gọi là máy siêu âm đầu dò, máy ly sóng âm thanh, máy gây rối sóng siêu âm, máy mài siêu âm, sono-ruptor, sonifier, máy giải mã siêu âm, máy phá vỡ tế bào, máy phân tán siêu âm hoặc chất hòa tan. Các thuật ngữ khác nhau là kết quả của các ứng dụng khác nhau có thể được thực hiện bằng cách siêu âm.
- Trộn
- Nhũ hóa
- Phân tán
- deagglomeration
- Phay ướt
- Khử khí
- Giải thể
- Khai thác
- Đồng nhất hóa mô
- Sono-Phân mảnh
- Lên men
- Purification
- Sono-Tổng hợp
- xúc tác sono
- Mưa
- Sono-Leaching
- Suy thoái