Nästan alla använder nanometerstor aluminium numera - detta mineral, bland andra, utgör skelettet av moderna katalysatorer i bilar. Tills nu, praktisk framställning av nanokorund med tillräckligt hög porositet har inte varit möjlig. Situationen har förändrats radikalt med presentationen av en ny metod för produktion av nanokorund, utvecklats som en del av ett tysk-polskt samarbete mellan forskare från Mülheim an der Ruhr och Krakow.

Höga temperaturer och tryck, processer som varar i till och med dussintals dagar – det här är några nuvarande metoder för att producera nanometerstor aluminiumoxid, ett material av betydande industriell betydelse, och de kan knappast kallas idealiska. Produkten i sig är också långt ifrån idealisk. Under tiden, forskare från Max-Planck-Institut für Kohlenforschung (MPI Kofo) i Mülheim an der Ruhr (Tyskland) hittade en enkel process för produktion av nanokorund. Dess termodynamiska grund förklaras av en innovativ teoretisk modell utvecklad av prof. Zbigniew Lodziana från Institutet för kärnfysik vid Polska vetenskapsakademin (IFJ PAN) i Krakow. Modellen antyder att nanometerstor korund kan bildas under förhållanden som är radikalt miljövänligare. Framgången för den tysk-polska gruppen visade sig vara så betydande att den har publicerats i Vetenskap , en av de mest respekterade vetenskapliga tidskrifterna i världen.

"Nanopartiklar av korund, producerad med den metod som vi föreslagit, är cirka 13 nanometer stora och kännetecknas av betydande porositet:ett gram har en yta på cirka 140 m ² . Detta är ungefär en storleksordning högre än det värde som är typiskt för nanokorund som produceras med hjälp av idag kända tekniska processer, " säger prof. Lodziana.

Korund, den mest stabila formen av aluminiumoxid Al ₂ O ₃ (betecknas med den grekiska bokstaven alfa), är ett vanligt mineral. På grund av sin hårdhet används det ofta, bland andra, som ett slipmedel. Bilkatalysatorer är en populär applikation för aluminiumoxid. Här, den fungerar som ett poröst underlag för aktiva övergångsmetallpartiklar (t.ex. palladium), som ansvarar för att ta bort kolmonoxid och kväveoxider från avgaserna. Stor, transparenta korundkristaller är sällsynta och de anses vara ädelstenar; beroende på deras blandningar, de antar olika färger, t.ex. röd (rubin) eller blå (safir).

"Problemet med den enkla och effektiva produktionen av nanometerstor aluminiumoxid handlar egentligen om att ta bort de vattenmolekyler som täcker huvuddelen av aluminiumhydroxid. För närvarande, intensiv värme och/eller högt tryck används för detta ändamål. Tyvärr, under uppvärmning växer nanopartiklar. Detta innebär att deras totala yta minskar, och därför försämras materialets funktionella egenskaper, " förklarar professor Lodziana.

Porösa aluminiumoxider tillverkas för närvarande av den mest lättillgängliga aluminiumhydroxiden. Detta vita pulver, kallas boehmit, måste utsättas för en temperatur på över 700 Kelvin vid ett tryck på ca. 1200 atmosfärer. Dessa villkor måste bibehållas i mer än en månad. I slutfasen, varar upp till tio timmar, temperaturen stiger till över 800 K. En annan klassisk produktionsmetod är uppvärmning i ett dussin timmar till en temperatur på över 800 K, varefter temperaturen under ytterligare ett dussin timmar höjs till över 1600 K.

Att belysa det faktum att det är möjligt att avlägsna vattenmolekyler från böhmit med hjälp av små mängder energi, bland andra, i mekanokemiska reaktioner, var mycket betydelsefullt för att förstå hur boehmit omvandlas till nanokorund.

Medan typiska kemiska reaktioner involverar lösningar eller gaser, inom mekanokemi sker processerna mellan fasta ämnen, vanligtvis framställd i form av pulver. Den energi som krävs för att utföra reaktionen här är mekanisk energi, levereras under fräsning i mekaniska kvarnar (ibland räcker det med att slipa för hand).

Under arbetet med den nya metoden, det visades, både praktiskt och teoretiskt, att det är möjligt att erhålla nanometerstor korund med bibehållen stabilitet och betydande porositet. Denna effekt uppnåddes genom det lämpliga valet av driftsparametrarna för de kulkvarnar i vilka malningen ägde rum. Målet var att skapa en situation där mängden energi som lokalt tillförs systemet överstiger energin för bindning av vattenmolekyler av böhmit, vilket resulterar i att de släpps från ytan.

"Mot bakgrund av tidigare, flerstegsmetoder, vår utmärker sig för sin extrema enkelhet:allt vi gör är att mala ett pulver i en kulkvarn under en tid. Viktigt, processen sker i rumstemperatur och tar bara några timmar för att uppnå termodynamiskt stabila korundnanopartiklar, " betonar professor Lodziana.

Den presenterade metoden för att producera nanokorund minskar inte bara energi, men också de finansiella kostnaderna i samband med produktionen av korundnanopartiklar av hög kvalitet till ett minimum.

Den teoretiska delen av den beskrivna forskningen, genomfördes vid institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin, finansierades av dess lagstadgade medel.