Reakcija koja u prirodi traje mjesecima, u laboratoriju je svedena na nekoliko sati — bez ijedne kapi dodatne kemikalije.
Istraživači s japanskog sveučilišta Tohoku objavili su u časopisu Ultrasonics Sonochemistry postupak kojim se željezo u prahu uronjeno u vodu, pod djelovanjem ultrazvuka, izravno pretvara u magnetne nanočestice spinelnog željezovog oksida. Nema soli željeza, nema amonijaka ni natrijevog hidroksida za taloženje, nema koraka pranja. Samo metal, voda i zvuk.
U pokusima je jedan gram željeznog praha raspršen u vodi i izložen ultrazvuku frekvencije 23 ili 43 kHz, pri različitim temperaturama i trajanju. Analiza rendgenskom difrakcijom, elektronskom mikroskopijom i mjerenjem magnetizacije pokazala je čestice prosječne veličine oko 32 nanometra, s magnetizacijom od 85,6 emu/g pri maksimalnom primijenjenom polju.
Toplina određuje koliko, zvuk određuje kakvo
Pri 43 kHz i 24 sata obrade, konverzija željeza u oksid dosegla je 36,1 posto na 30 °C, 68,5 posto na 40 °C i 63,7 posto na 60 °C. Veličina čestica između 40 i 60 °C gotovo se nije mijenjala — temperatura, dakle, određuje koliko će metala oksidirati, ali ne i koliko će čestice biti velike.
Ključna razlika prema običnom miješanju pokazala se u kontrolnom pokusu. Mehaničko miješanje iste smjese na 40 °C kroz 72 sata također je proizvelo oksid, ali on je uglavnom ostao kao submikrometarske čestice zalijepljene na površinu željeza. Ultrazvuk je proizveo znatno sitnije čestice koje su se odvojile od površine i raspršile u okolnoj vodi.
Objašnjenje leži u akustičnoj kavitaciji — brzom nastajanju i urušavanju sitnih mjehurića. Urušavanje stvara mikromlazove i udarne valove koji razbijaju i obnavljaju površinu željeza, uz kratkotrajne lokalne zone visoke temperature, tlaka i reaktivnih kemijskih vrsta. Ti efekti zajedno pokreću reakciju između krutog metala i vode koja bi inače tekla sporo. Točan put reakcije još nije potvrđen.
Od starog željeza do skupe sirovine
Yamato Hayashi, izvanredni profesor na Fakultetu inženjerstva i jedan od voditelja studije, ističe da poanta nije samo u receptu bez reagensa. „Ono što pokazujemo je izravna transformacija iz krutog u tekuće, iz metala u oksid — ultrazvuk aktivira sučelje između metalnog željeza i vode, a nanočestice oksida nastaju izravno na toj granici”, rekao je.
Spinelnim nanočesticama željezovog oksida tržište je široko: magnetni materijali, adsorbensi, katalizatori, magnetska separacija i biomedicinska istraživanja. Dosadašnje metode sinteze kreću od topljivih soli željeza i kemikalija koje ih prevode u čestice — što znači skuplje sirovine, više otpada i više koraka pranja.
Ova metoda otvara drugu mogućnost: pretvaranje finog željeznog praha ili željeznog otpada u oksidne materijale više vrijednosti. Isti pristup mogao bi se proširiti i na druge metal-oksidne sustave, no ti su primjeri tek predmet budućih pokusa.
Pitanje koje studija ostavlja otvorenim
Znanstvenici planiraju razjasniti mehanizam reakcije — mjerenjem otopljenih iona Fe²⁺ i Fe³⁺, hidroksilnih radikala i vodikovog peroksida tijekom procesa. Namjeravaju i kvantificirati iskorištenje čestica, bilancu mase, brzinu reakcije i potrošnju energije po jedinici proizvoda, uz optimizaciju dizajna reaktora i akustične snage.
A upravo je potrošnja energije pitanje koje studija ne odgovara, a koje će odlučiti sudbinu cijelog postupka. Ultrazvučna obrada kroz 24 sata nije jeftina; bez podatka o tome koliko kilovatsati stoji jedan gram nanočestica, svaka priča o „zelenoj sintezi” ostaje na razini laboratorijske zanimljivosti. Isti problem prati i ranije pokušaje dobivanja nanomaterijala iz otpadnog metala — kemija prolazi, ekonomika često ne.
U zemlji poput Hrvatske, koja godišnje izvozi desetke tisuća tona starog željeza kao jeftinu sirovinu, a uvozi gotove tehničke materijale po višestruko višoj cijeni, ovakvo istraživanje ima konkretnu težinu. Pitanje nije može li se to izvesti u laboratoriju u Tokiju. Pitanje je zašto na domaćim tehničkim fakultetima nema programa koji bi staro željezo pretvarali u nešto što se prodaje po kilogramu, a ne po toni.
Malo o zapostavljenom zvuku u odnosu na svjetlost. Meni je najzanimljiviji dio zapravo manje „zeleni” aspekt, a više kemija na granici metal–voda. Ultrazvuk kavitacijom stalno mehanički i kemijski napada površinu željeza. Autori pretpostavljaju da se tako razbija površinski oksidni sloj, izlaže svježe željezo i omogućuje nastanak sitnih oksidnih čestica koje se odvajaju od površine. Predlažu kombinaciju heterogene oksidacije na željezu i homogene nukleacije iz otopljenih Fe-vrsta. To je elegantan koncept: umjesto željezo → topljiva sol → kemijska reakcija → taloženje → pranje pokušavaju napraviti željezo + voda → ultrazvuk → nano-oksid. To je doista drugačiji način razmišljanja o sintezi materijala. A hrvatski dio priče? Tu bih malo ublažio zadnju rečenicu članka. Nije dovoljno reći: „Zašto mi nemamo program koji staro željezo pretvara u nešto skuplje?” Pravo pitanje za hrvatski istraživački program bilo bi: Možemo li iz domaćeg željeznog otpada dobiti standardizirani magnetni oksid određene čistoće i granulacije, uz ukupnu potrošnju… Čitaj više »