Tạo cấu trúc nano bằng siêu âm để sản xuất kim loại xốp

Hóa học siêu âm là một công cụ rất hiệu quả để chế tạo và chức năng hóa vật liệu nano. Trong luyện kim, chiếu xạ siêu âm thúc đẩy sự hình thành kim loại xốp. Nhóm nghiên cứu của TS. Daria Andreeva đã phát triển một quy trình có hỗ trợ siêu âm hiệu quả và tiết kiệm chi phí để sản xuất kim loại có lỗ xốp trung bình.

Kim loại xốp thu hút sự quan tâm lớn từ nhiều ngành công nghệ nhờ các đặc tính nổi bật như khả năng chống ăn mòn, độ bền cơ học và khả năng chịu nhiệt độ cực cao. Những đặc tính này bắt nguồn từ các bề mặt có cấu trúc nano với các lỗ xốp có đường kính chỉ vài nanomét. Vật liệu có lỗ xốp trung bình được đặc trưng bởi kích thước lỗ xốp từ 2 đến 50 nm, trong khi vật liệu vi xốp có kích thước lỗ xốp nhỏ hơn 2nm. Một nhóm nghiên cứu quốc tế, trong đó có TS. Daria Andreeva thuộc Đại học Bayreuth (Bộ môn Hóa lý II), đã phát triển thành công một quy trình siêu âm có khả năng xử lý cường độ cao và tiết kiệm chi phí để thiết kế và sản xuất các cấu trúc kim loại như vậy.

Trong quy trình này, kim loại được xử lý trong dung dịch nước theo cách tạo ra các khoang rỗng có kích thước vài nanomét tại những khoảng cách được xác định chính xác. Các cấu trúc được thiết kế theo yêu cầu này đã có nhiều ứng dụng đổi mới, 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 nanocompozit. Đây là một nhóm vật liệu compozit mới, trong đó cấu trúc nền rất mịn được lấp đầy bằng các hạt có kích thước lên đến 20 nanomét.

Kỹ thuật mới sử dụng quá trình hình thành bọt do siêu âm tạo ra, được gọi là xâm thực trong vật lý học (bắt nguồn từ tiếng Latinh “cavus” = “rỗng”). Trong hàng hải, quá trình này gây lo ngại do có thể gây hư hại nghiêm trọng cho chân vịt tàu và tua-bin. Nguyên nhân là ở tốc độ quay rất cao, các bọt hơi hình thành dưới nước. Sau một thời gian ngắn dưới áp suất cực cao, các bọt co sụp vào bên trong, từ đó làm biến dạng bề mặt kim loại. Quá trình xâm thực cũng có thể được tạo ra bằng siêu âm. Siêu âm gồm các sóng nén có tần số cao hơn phạm vi nghe được (20 kHz) và tạo ra các bọt chân không trong nước và dung dịch nước. Nhiệt độ vài nghìn độ C và áp suất cực cao lên đến 1000 bar xuất hiện khi các bọt này co sụp vào bên trong.

Sơ đồ trên cho thấy tác động của xâm thực âm đối với sự biến đổi các hạt kim loại. Các kim loại có điểm nóng chảy (MP) thấp như kẽm (Zn) bị oxy hóa hoàn toàn; các kim loại có điểm nóng chảy cao như niken (Ni) và titan (Ti) có sự biến đổi bề mặt khi được xử lý siêu âm. Nhôm (Al) và magiê (Mg) tạo thành các cấu trúc có lỗ xốp trung bình. Các kim loại quý có khả năng chống chịu chiếu xạ siêu âm nhờ tính bền vững trước quá trình oxy hóa. Điểm nóng chảy của các kim loại được biểu thị bằng độ Kelvin (K).

Việc kiểm soát chính xác quá trình này có thể dẫn đến sự tạo cấu trúc nano có định hướng cho các kim loại lơ lửng trong dung dịch nước – tùy thuộc vào những đặc tính vật lý và hóa học nhất định của kim loại. Bởi các kim loại phản ứng rất khác nhau khi chịu tác động của quá trình xử lý siêu âm như vậy, như TS. Daria Andreeva cùng các đồng nghiệp tại Golm, Berlin và Minsk đã chứng minh. Ở các kim loại có hoạt tính cao như kẽm, nhôm và magiê, một cấu trúc nền dần hình thành và được ổn định bằng một lớp phủ oxit. Điều này tạo ra kim loại xốp, chẳng hạn có thể được tiếp tục gia công để sử dụng trong vật liệu compozit. Tuy nhiên, các kim loại quý như vàng, bạch kim, bạc và paladi lại có biểu hiện khác. Do ít có xu hướng bị oxy hóa, chúng chống chịu được quá trình xử lý siêu âm và giữ nguyên cấu trúc cùng các tính chất ban đầu.

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 một hợp kim nhôm trong dung dịch có tính ăn mòn cao, bên dưới là ảnh hiển vi điện tử của bề mặt, trên đó – nhờ xử lý siêu âm – một lớp phủ polyme điện ly đã được hình thành. Lớp phủ này bảo vệ chống ăn mòn trong 21 ngày. Bên phải: Cùng loại hợp kim nhôm nhưng chưa được xử lý siêu âm. Bề mặt bị ăn mòn hoàn toàn.

Việc các kim loại khác nhau phản ứng rất khác biệt với xử lý siêu âm có thể được khai thác để tạo ra những đổi mới trong khoa học vật liệu. Hợp kim có thể được chuyển thành vật liệu nanocompozit theo cách mà các hạt của vật liệu bền vững hơn được bao bọc trong một nền xốp của kim loại kém bền vững hơn. Nhờ đó, diện tích bề mặt rất lớn được tạo ra trong một không gian rất hạn chế, cho phép sử dụng các vật liệu nanocompozit này làm chất xúc tác. Chúng thúc đẩy các phản ứng hóa học đặc biệt nhanh và hiệu quả.

Cùng với TS. Daria Andreeva, các nhà nghiên cứu GS. TS. Andreas Fery, TS. Nicolas Pazos-Perez và Jana Schäferhans, cũng thuộc Bộ môn Hóa lý II, đã đóng góp vào các kết quả nghiên cứu. Cùng các đồng nghiệp tại Viện Max Planck về Chất keo và Bề mặt phân cách ở Golm, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH và Đại học Quốc gia Belarus ở Minsk, họ đã công bố trực tuyến những kết quả mới nhất trên tạp chí “Nanoscale”.