Oro, argento e rame sono metalli pesanti, ma gli scienziati del LLNL ora possono renderli leggeri quasi come l'aria, in una forma così piccola che può cavalcare sulla schiena di una zanzara.

La scienza rivoluzionaria, parte di un progetto congiunto NIF/Physical and Life Sciences (PLS) sostenuto dal programma Laboratory Directed Research and Development (LDRD), ha creato queste schiume metalliche a densità ultrabassa per fornire ai fisici migliori sorgenti di raggi X da impiegare in esperimenti che supportano la missione Stockpile Stewardship del NIF.

La schiuma è il prodotto di uno sforzo di ricerca quasi decennale da parte dei membri delle direzioni NIF e PLS del laboratorio per l'uso su esperimenti di fusione a confinamento inerziale (ICF) presso NIF, il sistema laser più energico al mondo.

"Stiamo esaminando principalmente questioni scientifiche fondamentali che governano come sintetizzare, assemblare e modellare aerogel a base di nanofili metallici, " ha detto lo scienziato dei materiali Michael Bagge-Hansen, ricercatore principale del progetto LDRD.

Il materiale si chiama schiuma perché è storicamente il nome di questi tipi di materiali, ma non è un materiale fatto di schiuma. È una rete simile a spaghetti di fili nanometrici collegati casualmente, formato nella forma di un marshmallow in miniatura e contenente lo stesso numero o un numero inferiore di atomi dell'aria.

Il fisico Sergei Kucheyev lo definisce un "monolite di metallo poroso. C'è molto da fare qui in termini sia di chimica che di fisica".

Sorgenti di raggi X

Gli scienziati hanno cercato diversi metalli a densità ultrabassa che possono essere utilizzati come bersagli per sorgenti di raggi X guidate dal laser per esperimenti che sondano ulteriormente le proprietà di vari materiali posti in condizioni estreme possibili quando i 192 laser ad alta potenza del NIF sono diretti all'interno della camera bersaglio , ha detto Tyler Paure, uno scienziato del personale con la divisione di scienza dei materiali (MSD) del LLNL.

Ogni elemento emette una serie caratteristica di raggi X quando riscaldato dai laser in un plasma, Paure spiegate. Le schiume metalliche possono imitare il gas anche se sono realizzate con materiali che non sono gas a temperatura ambiente.

La fisica alla base delle sorgenti di raggi X guidate dal laser, però, pone l'asticella in alto con specifiche rigorose per i tipi, densità, forme e dimensioni delle schiume metalliche necessarie per gli esperimenti.

"Abbiamo bisogno che i bersagli di metalli pesanti siano all'incirca della densità dell'aria e di pochi millimetri di dimensioni all'interno di dimensioni ben definite, " ha detto. "La nostra sfida è cercare di raggiungere tutti questi obiettivi allo stesso tempo".

Il team doveva anche assicurarsi che le tecniche sviluppate potessero essere ripetute per produrre costantemente le schiume, anche se le dimensioni, forma e composizione vengono modificate per soddisfare le future esigenze sperimentali.

"Devi essere in grado di realizzare ogni volta lo stesso materiale o un materiale simile, " Ha detto le paure. "Dobbiamo capire quando cambiamo qualcosa, come cambierà il prodotto? Se cambi la densità o se cambi la forma, devi sapere che è l'unica cosa che stai cambiando."

Kucheyev ha affermato che la ricerca risale a quasi un decennio, ma "solo negli ultimi due anni abbiamo ottenuto schiume di questa straordinaria qualità".

Alcune versioni precedenti invecchiavano in aria prima di poter essere portate nella camera bersaglio, quando "finì per sembrare vecchi marshmallow stantii, " ha detto. Un'altra iterazione è uscita dagli stampi con un aspetto distorto, mentre altri sono crollati così facilmente un membro del team li ha chiamati "cenere di sigaretta".

Il team ha anche provato a utilizzare altri tipi di materiale a bassa densità per creare impalcature che fornissero una struttura di supporto per le particelle incorporate dei metalli specifici. Ma i materiali dell'impalcatura creerebbero raggi X indesiderati se colpiti dai laser, che avrebbe interferito con i dati a raggi X che gli scienziati desideravano dai tipi specifici di schiuma che stavano testando.

Così, per mantenere la purezza dello spettro dei raggi X, il team ha dovuto creare la struttura del filo dal metallo specifico stesso, che è stata "la più grande sfida che abbiamo avuto, " ha detto lo scienziato dei materiali Fang Qian.

"La scarsità di letteratura precedente sulla creazione di questi tipi di fili in grandi quantità ha comportato la necessità di eseguire numerosi esperimenti e studi fondamentali per comprendere i meccanismi sintetici, " ha detto. "Abbiamo anche sfruttato diversi strumenti di caratterizzazione in MSD per valutare modelli di crescita, struttura, superficie e chimica di questi materiali unici. Alla fine abbiamo sviluppato la nostra ricetta e il nostro protocollo unici".

Qian ha aggiunto che MSD "ora può eseguire rapidamente la ricerca e lo sviluppo in loco di nanomateriali metallici, come particelle e fili, e riprodurre materie prime su scala grammo utilizzando procedure rigorosamente testate."

Essiccazione supercritica

Il team congela il nanofilo all'interno di uno stampo per la creazione di forme tipicamente riempito con una miscela di acqua e glicerolo. Quando si indurisce, il nanofilo sembra una "maglia casualmente interconnessa di spaghetti congelati, " ha detto Kucheev.

Il materiale viene poi tolto dallo stampo e l'acqua gelata viene estratta sostituendola con il solvente acetone, che viene poi disciolto in un processo di essiccazione supercritica utilizzando anidride carbonica liquida, lasciando solo il metallo e l'aria. L'essiccazione supercritica assicura che il liquido si trasformi in una fase gassosa senza creare un menisco che potrebbe danneggiare la fragile struttura in schiuma metallica a bassissima densità.

"Non hai pressioni capillari e questo ti permette anche di mantenere i pori molto piccoli senza alcun restringimento, "Ha detto le paure.

Il team ha prodotto schiuma di rame e argento, e l'argento si è comportato bene nei colpi NIF. Il team è in grado di produrre schiume d'oro, che tendono ancora a cadere dai supporti che li tengono davanti ai laser del NIF. "Questa è la sfida che stiamo cercando di vincere ora, "Ha detto le paure.

Il progetto congiunto LDRD finanziato da PLS/NIF è progettato per basarsi sul precedente lavoro del team con argento e rame in modo che gli scienziati dei materiali possano realizzare schiume metalliche a densità ultra bassa con altri metalli "per rispondere alle esigenze attuali e future, " Ha detto Bagge-Hansen. La squadra ora sta lavorando allo stagno oltre che all'oro.

"Tradurre questi successi in altri materiali (ad es. gold) ha sollevato significative sfide tecniche che stiamo affrontando nella LDRD, " ha detto. "Attribuisco il nostro successo a un innovativo, team diversificato di scienziati che condividono i loro diversi background tecnici per risolvere una sfida altamente multidisciplinare."

Lo sforzo includeva anche Mark May, Brent Blu, Alyssa Troksa, Tom Braun, Thomas Yong Jin Han, Ted Baumann, Daniele Malone, Corrie Horwood, Chantel Aracne Ruddle, Kelly Youngblood, Michael Stadermann e Suhas Bhandarkar.

Le schiume sono state sviluppate specificamente per NIF come sorgenti di raggi X. Il materiale potrebbe essere applicato anche ad altri usi, però, come proiettili bersaglio o fodere hohlraum. E ora che gli scienziati sanno che il materiale può essere prodotto, potrebbe stimolare idee creative per esperimenti futuri.

"I fisici hanno idee, ma di solito chiedono cosa può fare qualcuno, e progetteranno un esperimento attorno a questo, " Fears ha detto. "Se possiamo fare un materiale che non avrebbero mai pensato di poter fare prima, verranno con nuovi esperimenti per adattarsi a queste capacità."