07.03.11 Ultraschall erlaubt hochpräzise Nanostrukturierung zur Erzeugung poröser Metalle
Hochpräzise Nanostrukturierung mit Ultraschall
Neues Verfahren zur Erzeugung poröser Metalle
Sie sind korrosionsbeständig, mechanisch äußerst stark und halten extrem hohen Temperaturen stand: Mit diesen Eigenschaften sind poröse Metalle für zahlreiche Technologiefelder von besonderem Interesse. Sie zeichnen sich durch feinste Oberflächenstrukturen mit Poren aus, die im Durchmesser nur wenige Nanometer groß sind. Einem internationalen Forschungsteam um Dr. Daria Andreeva an der Universität Bayreuth (Lehrstuhl Physikalische Chemie II) ist es jetzt gelungen, ein hochleistungsfähiges und kostengünstiges Ultraschall-Verfahren für das Design und die Herstellung derartiger metallischer Strukturen zu entwickeln.
Abb. 1: Metallpartikel reagieren sehr unterschiedlich auf die
Behandlung mit Ultraschall. Metalle wie Zink (Zn), die einen geringen
Schmelzpunkt (Melting Point = MP) haben, werden vollständig oxidiert. Metalle
mit einem hohen Schmelzpunkt wie Nickel (Ni) und Titan (Ti) reagieren hingegen
mit einer Modifikation ihrer Oberflächen. Aluminium (Al) und Magnesium (Mg)
entwickeln eine mesoporöse Struktur. Edelmetalle widersetzen sich einer
derartigen Behandlung mit Ultraschall, weil ihre Neigung zur Oxidation äußerst
gering ist. Die Schmelzpunkte der Metalle sind in der Grafik jeweils in Grad
Kelvin (K) angegeben.
Quelle: Dr. Daria Andreeva, Universität Bayreuth
Metalle werden dabei in einer wässrigen Lösung mit Ultraschall so bearbeitet, dass Hohlräume von wenigen Nanometern entstehen - und zwar in präzise definierten Abständen. Für diese maßgeschneiderten Nanostrukturen gibt es schon heute ein breites Spektrum innovativer Anwendungen, beispielsweise in der Luftreinigung, der Energiespeicherung oder der Medizintechnik. Besonders vielversprechend ist der Einsatz poröser Metalle in Nanokompositen. Dabei handelt es sich um eine neue Klasse von Verbundwerkstoffen, in denen eine hochfeine Matrixstruktur mit Partikeln in einer Größenordnung von bis zu 20 Nanometern gefüllt wird.
Das in Bayreuth entwickelte Verfahren nutzt hierzu Kavitation. In der Seefahrt ist Kavitation wegen der schweren Schäden, die an Schiffsschrauben und Schiffsturbinen entstehen können, gefürchtet. Denn bei sehr hohen Drehgeschwindigkeiten bilden sich unter Wasser Bläschen, die nach kurzer Zeit unter extrem hohen Drücken in sich zusammenfallen und die metallischen Oberflächen von Schrauben und Turbinen angreifen. Der Prozess der Kavitation lässt sich aber auch mit Ultraschall künstlich erzeugen. Ultraschall besteht aus Druckwellen mit Frequenzen oberhalb des hörbaren Bereichs (20 kHz) und erzeugt in Wasser sowie in wässrigen Lösungen Vakuumblasen. Wenn diese Blasen implodieren, entstehen Temperaturen von mehreren Tausend Grad Celsius und extrem hohe Drücke bis ca. 1000 bar. (Weitere Erklärungen siehe auch Sonochemie).
Abb. 2: Dr. Daria Andreeva (Lehrstuhl Physikalische Chemie II, Universität Bayreuth) zeigt, wie feste Partikel in einer wässrigen Lösung einer Ultraschall-Behandlung ausgesetzt werden. Dabei kommt ein Ultraschallprozessor zum Einsatz, der mit einer Frequenz von 20 kHz und einer maximalen Leistung von 1000 W arbeitet.
Quelle: Christian Wißler, Universität Bayreuth
Eine präzise Steuerung dieser Prozesse kann für eine gezielte Nanostrukturierung von Metallen eingesetzt werden, die sich in einer wässrigen Lösung befinden – vorausgesetzt, die Metalle bringen bestimmte physikalische und chemische Eigenschaften mit. Denn wie Dr. Daria Andreeva zusammen mit ihren Kollegen in Golm, Berlin und Minsk gezeigt hat, reagieren Metalle sehr unterschiedlich, wenn sie einer derartigen Ultraschallbehandlung ausgesetzt werden. Bei Metallen mit einer hohen Reaktivität wie Zink, Aluminium und Magnesium bildet sich schrittweise eine Matrixstruktur heraus, die durch eine Oxidschicht stabilisiert wird. Das Ergebnis sind poröse Metalle, die beispielsweise in Verbundwerkstoffen weiterverarbeitet werden können. Anders verhält es sich jedoch bei Edelmetallen wie Gold, Platin, Silber und Palladium. Diese widersetzen sich aufgrund ihrer geringen Oxidationsneigung der Behandlung durch Ultraschall; ihre Strukturen und Eigenschaften bleiben unverändert.
Die Tatsache, dass verschiedene Metalle unterschiedlich sensibel auf eine Ultraschallbehandlung reagieren, lässt sich für materialwissenschaftliche Innovationen nutzen: So können Legierungen zu Nanokompositen verarbeitet werden, in denen Partikel des stabileren Materials von einer porösen Matrix des instabileren Metalls umgeben sind. Dabei entstehen auf engstem Raum sehr große Oberflächen, weshalb diese Nanokomposite als Katalysatoren zum Einsatz kommen können. Sie bewirken, dass chemische Reaktionen besonders schnell und effizient ablaufen.
Neben Dr. Daria Andreeva waren auch Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez und Jana Schäferhans am Lehrstuhl Physikalische Chemie II an den Forschungsergebnissen beteiligt. Mit ihren Kollegen am Max-Planck-Institut für Kolloide und Grenzflächen in Golm, am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH und an der Weißrussischen Staatsuniversität in Minsk haben sie ihre neuesten Ergebnisse kürzlich publiziert..
Quelle:
Sonochemical formation of metal sponges
E. V. Skorb, et. al., Nanoscale 2011. DOI:
10.1039/c0nr00635a
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Ultraschall erlaubt hochpräzise
Nanostrukturierung zur Erzeugung poröser Metalle
(URL: https://www.organische-chemie.ch/chemie/2011/mae/nanostrukturierung.shtm)
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