Kleinste Poren, deren Größe sich steuern lässt, erzeugen Bayreuther Forscher mit Hilfe von Ultraschallwellen in wässriger Lösung. Dass nicht alle Metalle gleich auf die Beschallung reagieren, nutzen sie gezielt für Innovationen.
Korrosionsbeständig, mechanisch stabil und unempfindlich auch gegen extrem hohe Temperaturen: Diese Eigenschaften machen poröse Metalle für zahlreiche Technologiefelder besonders interessant, beispielsweise in der Luftreinigung, der Energiespeicherung oder der Medizintechnik.
Poröse Metalle verfügen über feinste Oberflächenstrukturen mit Poren, die im Durchmesser nur wenige Nanometer groß sind. Besonders vielversprechend ist der Einsatz poröser Metalle in Nanokompositen. Diese neue Klasse von Verbundwerkstoffen verfügt über eine hochfeine Matrixstruktur, die mit Partikeln in einer Größenordnung von bis zu 20 nm gefüllt wird.
Einem internationalen Forschungsteam am Lehrstuhl Physikalische Chemie II der Universität Bayreuth ist es jetzt gelungen, ein leistungsfähiges und kostengünstiges Ultraschall-Verfahren zu entwickeln, mit dem sich derartige metallische Strukturen herstellen lassen. Metalle werden dabei in einer wässrigen Lösung mit Ultraschall so bearbeitet, dass Hohlräume von wenigen Nanometern entstehen – und zwar in präzise definierten Abständen.
Das Verfahren nutzt den Prozess der Blasenbildung, der in der Physik als Kavitation bezeichnet wird. In der Seefahrt ist dieser Vorgang wegen schwerer Schäden gefürchtet, die er an Schiffsschrauben und Schiffsturbinen verursachen kann. 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 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 etwa 1000 bar.
Eine präzise Steuerung dieser Prozesse kann für die gezielte Nanostrukturierung von Metallen eingesetzt werden, die sich in einer wässrigen Lösung befinden. Das gilt allerdings nicht für alle Metalle in gleichem Maß. Solche mit hoher Reaktivität wie Zink, Aluminium und Magnesium bilden schrittweise eine Matrixstruktur heraus, die durch eine Oxidschicht stabilisiert wird. Das Ergebnis sind poröse Metalle, die beispielsweise in Verbundwerkstoffen weiterverarbeitet werden können. Edelmetalle wie Gold, Platin, Silber und Palladium zeigen nur geringe Oxidationsneigung, ihre Strukturen und Eigenschaften bleiben trotz Ultraschallbehandlung unverändert.
Dies lässt sich für 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, was zum Beispiel für eine Nutzung in Katalysatoren sehr interessant ist.
STAND DER TECHNIK
Weitere Informationen Ihre neuesten Erkenntnisse haben die Wissenschaftler im Magazin Nanoscale jüngst online publiziert. Zur Uni Bayreuth : www.pcii.uni-bayreuth.de
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