Uni­ver­si­tät Bay­reuth: 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.

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 den Pro­zess der Bla­sen­bil­dung, der in der Phy­sik als Kavi­ta­ti­on bezeich­net wird (abge­lei­tet von lat “cavus” = “hohl”). In der See­fahrt ist die­ser Vor­gang wegen der schwe­ren Schä­den, die an Schiffs­schrau­ben und Schiffstur­bi­nen ent­ste­hen kön­nen, gefürch­tet. Denn bei sehr hohen Dreh­ge­schwin­dig­kei­ten bil­den sich unter Was­ser Dampf­bla­sen, die nach kur­zer Zeit unter extrem hohen Drücken in sich zusam­men­fal­len und die metal­li­schen Ober­flä­chen von Schrau­ben und Tur­bi­nen ver­for­men. 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.

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 in der Zeit­schrift “Nanos­ca­le” online publi­ziert.

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