Крошечные частицы корунда для автомобильных катализаторов или керамических изделий особой прочности могут быть произведены удивительно легко.
Химики из Института Макса Планка по исследованию угля в Мюльхайме и дер-Руре нашли способ получения корунда, особо прочного варианта окиси алюминия, в виде наночастиц с помощью простой механохимии в шаровой мельнице.
Эти частицы могут быть использованы, например, в качестве стойкого материала-носителя в автомобильных катализаторах или в качестве исходного материала для особо прочной керамики.
Первая промышленная компания уже работает над крупномасштабным производством нанокорунда по рецепту Мюльхайма.
В самых благородных вариантах корунд образует рубины и сапфиры благодаря следам хрома, железа или титана, но материаловеды меньше интересуются им, чем драгоценными камнями.
По твердости и химической стойкости корунд практически не уступает алмазу. А также он чрезвычайно устойчив к воздействию тепла и химикатов. Поэтому используется для керамических имплантатов в стоматологии, для протезирования и режущего инструмента.
Керамику можно было бы сделать еще более устойчивой к разрушению, если бы она была изготовлена из наночастиц оксида алюминия.
Такой процесс производства потребовал бы также меньше энергии.
Наночастицы корунда могут также упростить конструирование автомобильных катализаторов, активные компоненты которых также станут более стабильными.
В настоящее время автомобильная промышленность использует менее стабильную форму оксида алюминия в сложном процессе.
Наночастицы корунда делают некоторые реакции более эффективными.
"Есть сообщения, что катализаторы с материалом-носителем из наночастиц корунда работают более эффективно для производства аммиака", - говорит Ферди Шют, директор Института исследований угля имени Макса Планка
"В других каталитических процессах, таких как производство синтетического топлива, более высокая стабильность может быть очень важна. Поэтому нанокристаллы из корунда в будущем могут найти широкое применение - теперь, когда химики Мюльхайма нашли способ их производства с помощью механохимии".
Порошок крошечных частиц корунда исследователи получают путем простого измельчения кусков боэмита, содержащегося в часто встречающемся боксите руды, в шаровой мельнице в течение трех часов, а затем кратковременно нагревают их.
До сих пор химики могли производить корунд из других оксидов алюминия только в том случае, если они сжигали исходные материалы при температуре более 1000 градусов Цельсия или подвергали их высокому давлению при температуре около 500 градусов в течение недель. Тогда не образовывались нанокристаллы, а получались более крупные частицы.
"Мы случайно обнаружили, что наночастицы корунда образуются в шаровой мельнице", - говорит Ферди Шют.
Его команда исследовала, лучше ли работает каталитическая реакция в такой мельнице. Потому что катализатор всегда получает свежую поверхность во время помола, где партнеры по реакции могут собраться вместе. Они использовали мягкий оксид алюминия, смешанный с частицами золота в качестве катализатора, и использовали различные аналитические методы для отслеживания процесса в шаровой мельнице.
Это показало: через несколько часов часть глинозема была превращена в корунд.
"Затем мы систематически изучали этот вопрос и испытывали различные варианты глинозема в качестве исходного материала", - говорит Амоль Амрут, один из ведущих ученых в этом проекте.
Потенциальные клиенты проявили интерес.
Теперь химики могут объяснить, почему такой банальный процесс, как измельчение, открывает путь к минералу, который в противном случае может быть получен только в тяжелых условиях и уж точно не в наноформе.
Толчки, которые испытывает материал в мельнице, обеспечивают именно ту механическую энергию, которая необходима для достаточно сложного преобразования кристаллической структуры в корунд.
Сравнительно низкие температуры в процессе также не позволяют наночастицам слипаться и образовывать большие зерна.
Исследователи компании Mülheim в настоящее время изучают возможности использования нанокорунда в качестве катализатора в различных реакциях.
Например, при производстве синтетических видов топлива.
"Мы не обязательно ожидаем совершенно иного поведения реакции", - говорит Ферди Шют.
"Однако, поскольку корунд гораздо более устойчив, а также потому, что в виде наночастиц он ускоряет некоторые реакции даже больше, чем ранее использованные оксиды алюминия, первые промышленные компании также узнали о простом рецепте получения наночастиц".
Потенциальные клиенты уже проявили интерес, поэтому в настоящее время разрабатывается процесс измельчения больших количеств крошечных частиц корунда.