Immagine in sezione trasversale SEM A e STEM B che mostra la struttura nanocomposita a 5 strati con strati alternati di silice e nerofumo dopo il trattamento di riscaldamento a più di 800 °C. L'immagine B HAADF ei profili di intensità per carbonio e silicio mostrano le interfacce tra il substrato e gli strati di silice rivestiti a destra e lo strato di carbonio derivato dallo zucchero tra due strati di silice a sinistra. Si stima che lo spessore dello strato di carbonio sia ~ 10–20 nm in base al picco del segnale di carbonio. Credito:Anticipi MRS (2022). DOI:10.1557/s43580-022-00245-y
Parola di un materiale straordinariamente economico, abbastanza leggero da proteggere i satelliti dai detriti nel freddo dello spazio esterno, abbastanza coeso da rafforzare le pareti di navi pressurizzate che vivono condizioni medie sulla Terra e tuttavia abbastanza resistente al calore a 1.500 gradi Celsius o 2.732 gradi Fahrenheit per schermare gli strumenti contro i detriti volanti, pone la domanda:quale singolo materiale potrebbe fare tutto questo?
La risposta, trovata ai Sandia National Laboratories, è dolce come lo zucchero.
Questo perché è, in effetti, zucchero:strati molto sottili di zucchero a velo dei droghieri, bruciati in uno stato chiamato nerofumo, intervallati solo da strati leggermente più spessi di silice, che è il materiale più comune sulla Terra, e cotto. Il risultato ricorda una torta a strati sottili, o più precisamente, la stratificazione organica e inorganica di una conchiglia, ogni strato aiuta il successivo a contenere e mitigare lo shock.
"Un materiale che può sopravvivere a una varietà di insulti - meccanici, urti e raggi X - può essere utilizzato per resistere a condizioni ambientali difficili", ha affermato il ricercatore Sandia Guangping Xu, che ha guidato lo sviluppo del nuovo rivestimento. "Quel materiale non è stato prontamente disponibile. Crediamo che il nostro nanocomposito stratificato, che imita la struttura di una conchiglia, sia quella risposta."
In modo più significativo, Xu ha affermato:"Il rivestimento autoassemblato non è solo leggero e meccanicamente resistente, ma anche termicamente abbastanza stabile da proteggere gli strumenti nelle macchine sperimentali di fusione dai detriti generati, dove le temperature possono essere di circa 1.500 C. Questo era l'obiettivo iniziale del lavoro."
"E questo potrebbe essere solo l'inizio", ha affermato il consulente Rick Spielman, scienziato senior e professore di fisica presso il Laboratory for Laser Energetics dell'Università di Rochester, accreditato di aver guidato il progetto iniziale della macchina Z di Sandia, una delle destinazioni per cui il nuovo materiale è destinato. "Ci sono probabilmente un centinaio di usi a cui non abbiamo pensato." Prevede possibili applicazioni degli elettrodi che ritardano, anziché bloccare, le emissioni di elettroni di superficie.
Il fisico Chad McCoy della macchina Z dei Sandia National Laboratories carica i rivestimenti dei campioni nei supporti. Quando Z si accende, i ricercatori osserveranno in che modo particolari rivestimenti proteggono gli oggetti impilati dietro di loro. Credito:Bret Latter, Sandia National Laboratories
Aiutare la missione di sopravvivenza nucleare
Il rivestimento, che può essere stratificato su una varietà di substrati senza problemi ambientali, è stato oggetto di una domanda di brevetto Sandia nel giugno 2021, un intervento su invito a una conferenza sull'energia pulsata nel dicembre 2021 e ancora in un recente articolo tecnico in Anticipi MRS , di cui Xu è l'autore principale.
Il lavoro è stato svolto in previsione della maggiore schermatura che sarà necessaria per proteggere gli oggetti di test, la diagnostica e i driver all'interno delle più potenti macchine a impulsi del futuro. La macchina Z a potenza pulsata di Sandia, attualmente il più potente produttore di raggi X sulla Terra, e i suoi successori richiederanno sicuramente una protezione dai detriti ancora maggiore contro forze paragonabili a numerosi candelotti di dinamite che esplodono a distanza ravvicinata.
"La nuova schermatura dovrebbe avere un impatto favorevole sulla nostra missione di sopravvivenza nucleare", ha affermato Chad McCoy, autore di articoli e fisico di Sandia. "Z è la sorgente di raggi X più brillante al mondo, ma la quantità di raggi X è solo un paio percento dell'energia totale rilasciata. Il resto è costituito da urti e detriti. Quando cerchiamo di capire come contano, come metalli e polimeri:interagisce con i raggi X, vogliamo sapere se i detriti stanno danneggiando i nostri campioni, ha cambiato la sua microstruttura. In questo momento, siamo al limite in cui possiamo proteggere i materiali dei campioni da insulti indesiderati, ma richiederanno macchine di prova più potenti una migliore schermatura e questa nuova tecnologia potrebbe consentire una protezione adeguata."
Restano possibili altri usi meno specializzati.
Lo scudo economico ed ecologico è abbastanza leggero da poter viaggiare nello spazio come strato protettivo sui satelliti perché è necessario relativamente poco materiale per ottenere la stessa resilienza di una schermatura più pesante ma meno efficace attualmente in uso per proteggere dalle collisioni con la spazzatura spaziale. "I satelliti nello spazio vengono costantemente colpiti da detriti che si muovono a pochi chilometri al secondo, la stessa velocità dei detriti da Z", ha detto McCoy. "Con questo rivestimento possiamo rendere più sottile lo scudo detriti, diminuendone il peso."
I rivestimenti di schermatura più spessi sono abbastanza resistenti da rafforzare le pareti dei vasi pressurizzati quando le once aggiunte non sono un problema.
Prevista una drastica riduzione dei costi
Secondo Guangping, il costo del materiale per fabbricare un rivestimento di 2 pollici di diametro del nuovo materiale protettivo, 45 milionesimi di metro e uno spessore di micron, è di soli 25 centesimi. Al contrario, un wafer di berillio, la corrispondenza più vicina alle proprietà termiche e meccaniche del nuovo rivestimento e in uso presso la macchina Z di Sandia e altri luoghi di fusione come schermi protettivi, costa $ 700 ai recenti prezzi di mercato per un quadrato da 1 pollice, 23 -wafer dello spessore di un micron, che è 3.800 volte più costoso del nuovo film della stessa area e spessore.
Entrambi i rivestimenti possono sopravvivere a temperature ben superiori a 1.000 C, ma un'ulteriore considerazione è che il nuovo rivestimento è ecologico. Viene aggiunto solo etanolo per facilitare il processo di rivestimento. Il berillio crea condizioni tossiche e i suoi dintorni devono essere ripuliti dal pericolo dopo il suo utilizzo.
Come sono proseguiti i test
Il principio dell'alternanza di strati organici e inorganici, un fattore importante nella longevità delle conchiglie, è la chiave per rafforzare il rivestimento Sandia. Gli strati di zucchero organico bruciati fino a diventare nerofumo agiscono come un mastice, ha affermato Hongyou Fan, manager e autore di articoli di Sandia. Inoltre impediscono alle crepe di diffondersi attraverso la struttura inorganica di silice e forniscono strati di imbottitura per aumentarne la resistenza meccanica, come riportato 20 anni fa in un precedente tentativo di Sandia di imitare la modalità conchiglia.
Greg Frye-Mason, responsabile della campagna Sandia per l'Assurred Survivability and Agility with Pulsed Power, o ASAP, Laboratory Directed Research and Development campaign che finanzia la ricerca, inizialmente aveva dei dubbi sull'inserimento del carbonio.
"Pensavo che gli strati organici avrebbero limitato l'applicabilità poiché la maggior parte si degrada da 400 a 500 °C", ha affermato.
Ma quando il concetto di nerofumo ha dimostrato una robustezza ben oltre i 1.000 °C, il risultato positivo ha superato il rischio maggiore che Frye-Mason vedeva di fronte al progetto.
Proprietà meccaniche di materiali rappresentativi ad alta resistenza rispetto a conchiglie naturali e rivestimento sviluppato dai laboratori nazionali Sandia. Credito:Guangping Xu et al.
I rivestimenti simili a conchiglie inizialmente testati a Sandia variavano da pochi a 13 strati. Questi materiali alternati sono stati premuti l'uno contro l'altro dopo essere stati riscaldati in coppia, quindi le loro superfici si sono reticolate. I test hanno mostrato che tali strati nanocompositi di silice intrecciati con lo zucchero bruciato, noto come nerofumo dopo la pirolisi, sono l'80% più resistenti della silice stessa e termicamente stabili fino a una temperatura stimata di 1.650 °C. Successivi sforzi di sinterizzazione hanno mostrato che gli strati, autoassemblati attraverso una rotazione -processo di rivestimento, potrebbero essere cotti in batch e le loro singole superfici ancora reticolate in modo soddisfacente, eliminando la noia della cottura di ogni strato. Il processo più efficiente ha raggiunto quasi la stessa resistenza meccanica.
La ricerca sul rivestimento aveva lo scopo di sviluppare metodi per proteggere la diagnostica e testare campioni su Z e su macchine a impulsi di nuova generazione dai detriti volanti.
"Questo rivestimento si qualifica", ha detto Frye-Mason. + Esplora ulteriormente
