Fremstilling af metal med luftens lethed

Guld, sølv og kobber er tungmetaller, men LLNL-forskere kan nu gøre dem næsten lige så lette som luft - i en form så lille, at den kan ride på en mygges ryg.

Den banebrydende videnskab, del af et fælles NIF/Physical and Life Sciences (PLS) projekt støttet af Laboratory Directed Research and Development (LDRD) Program, skabte disse metalskum med ultralav densitet for at give fysikere bedre røntgenkilder til at anvende i eksperimenter, der understøtter NIF's Stockpile Stewardship-mission.

Skummet er et produkt af en næsten ti år lang forskningsindsats udført af medlemmer af laboratoriets NIF- og PLS-direktorater til brug for inertial confinement fusion (ICF)-eksperimenter på NIF, verdens mest energiske lasersystem.

"Vi ser primært på grundlæggende videnskabelige spørgsmål, der styrer, hvordan man syntetiserer, samle og form metal nanotråd-baserede aerogeler, sagde materialeforsker Michael Bagge-Hansen, LDRD-projektets hovedefterforsker.

Materialet kaldes skum, fordi det historisk set er, hvad disse typer materialer hed, men det er ikke et materiale fremstillet ved skumning. Det er et spaghetti-lignende væv af tilfældigt forbundne ledninger på nanometerstørrelse, dannet i form af en miniature skumfidus og indeholdende det samme eller færre antal atomer som luft.

Fysiker Sergei Kucheyev kalder det en "porøs metalmonolit. Der sker en masse her med hensyn til både kemi og fysik."

Røntgenkilder

Forskere søgte forskellige metaller med ultra-lav densitet, der kan bruges som mål for laserdrevne røntgenkilder til eksperimenter, der yderligere undersøger egenskaberne af forskellige materialer, der er placeret under de ekstreme betingelser, der er mulige, når NIF's 192 højeffektlasere er rettet ind i målkammeret , sagde Tyler Fears, en stabsforsker hos LLNL's Materials Science Division (MSD).

Hvert element udsender et karakteristisk sæt røntgenstråler, når det opvarmes af lasere til et plasma, Frygt forklaret. Metalskum kan efterligne gas, selvom de er lavet af materialer, der ikke er gas ved stuetemperatur.

Den underliggende fysik af laserdrevne røntgenkilder, imidlertid, sætter barren højt med strenge specifikationer for typerne, tætheder, former og størrelser af metalskum, der er nødvendige for eksperimenter.

"Vi har brug for tungmetalmål, der er omkring luftens tæthed og et par millimeter store inden for veldefinerede dimensioner, " sagde han. "Vores udfordring er at forsøge at nå alle disse mål på samme tid."

Holdet skulle også sørge for, at de teknikker, de udviklede, kunne gentages for konsekvent at producere skummet, selvom størrelsen, form og sammensætning ændres for at imødekomme fremtidige eksperimentelle behov.

"Du skal være i stand til at lave enten det samme materiale eller et sammenligneligt materiale hver gang, " sagde frygt. "Vi er nødt til at forstå, når vi ændrer noget, hvordan vil det ændre produktet? Hvis du ændrer tætheden, eller hvis du ændrer formen, du skal vide, at det er det eneste, du ændrer."

Kucheyev sagde, at forskningen går tilbage næsten et årti, men "kun i de sidste par år har vi fået skum af denne fantastiske kvalitet."

Nogle tidligere versioner ældes i luft, før de kunne bringes ind i målkammeret, da de "endte med at ligne gamle forældede skumfiduser, " sagde han. Endnu en iteration kom ud af forme og så forvrænget ud, mens andre faldt fra hinanden så let, kaldte et teammedlem dem "cigaretaske".

Holdet forsøgte også at bruge andre typer lavdensitetsmateriale til at skabe stilladser, der gav en understøttende struktur til indlejrede partikler af de specifikke metaller. Men stilladsmaterialerne ville skabe uønskede røntgenstråler, når de blev ramt af lasere, hvilket ville forstyrre røntgendata, som forskere ønskede fra de specifikke typer skum, de testede.

Så, at opretholde renheden af ​​røntgenspektret, holdet skulle skabe trådstrukturen ud af det specifikke metal selv, hvilket var "den største udfordring, vi havde, " sagde materialeforsker Fang Qian.

"Manglen på tidligere litteratur om at skabe disse typer ledninger i store mængder betød, at vi var nødt til at udføre adskillige eksperimenter og grundlæggende undersøgelser for at forstå de syntetiske mekanismer, " sagde hun. "Vi har også udnyttet flere karakteriseringsværktøjer i MSD til at evaluere vækstmodeller, struktur, overflade og kemi af disse unikke materialer. Vi udviklede til sidst vores egen unikke opskrift og protokol."

Qian tilføjede, at MSD "nu hurtigt kan udføre forskning og udvikling på stedet af metalliske nanomaterialer, såsom partikler og ledninger, og reproducere råmaterialer på gram-skala ved hjælp af strengt testede procedurer."

Superkritisk tørring

Holdet fryser nanotråden inde i en formskabende form, der typisk er fyldt med en blanding af vand og glycerol. Når det hærder, nanotråden ligner et "tilfældigt forbundet mesh af frossen spaghetti, " sagde Kucheyev.

Materialet fjernes derefter fra formen, og det frosne vand ekstraheres ved at erstatte det med opløsningsmidlet acetone, som derefter opløses i en superkritisk tørringsproces ved hjælp af flydende kuldioxid, efterlader kun metal og luft. Superkritisk tørring sikrer, at væsken omdannes til en gasfase uden at skabe en menisk, der kan beskadige den skrøbelige metalskumstruktur med ultralav densitet.

"Du har ikke noget kapillærtryk, og det giver dig også mulighed for at bevare de meget små porer uden krympning, " sagde Frygt.

Holdet har produceret kobber- og sølvskum, og sølv har præsteret godt i NIF-skud. Holdet er i stand til at producere guldskum, som stadig har en tendens til at falde af beslagene, der holder dem foran NIFs lasere. "Det er den udfordring, vi prøver at overvinde nu, " sagde Frygt.

Det fælles PLS/NIF-finansierede LDRD-projekt er designet til at bygge videre på holdets tidligere arbejde med sølv og kobber, så materialeforskere kan fremstille metalliske skum med ultralav densitet med andre metaller "for at reagere på nuværende og fremtidige behov, " sagde Bagge-Hansen. Holdet arbejder nu på både blik og guld.

"Oversættelse af disse succeser til andre materialer (f.eks. guld) rejste betydelige tekniske udfordringer, som vi navigerer i i LDRD, " sagde han. "Jeg tilskriver vores succes en innovativ, mangfoldigt team af forskere, der deler deres forskellige tekniske baggrunde for at løse en meget tværfaglig udfordring."

Indsatsen omfattede også Mark May, Brent Blue, Alyssa Troksa, Tom Braun, Thomas Yong-Jin Han, Ted Baumann, Daniel Malone, Corie Horwood, Chantel Aracne-Ruddle, Kelly Youngblood, Michael Stadermann og Suhas Bhandarkar.

Skummene er udviklet specifikt til NIF som røntgenkilder. Materialet kan også anvendes til andre formål, imidlertid, såsom målskaller eller hohlraum liners. Og nu hvor forskerne ved, at materialet kan laves, det kunne anspore kreative ideer til fremtidige eksperimenter.

"Fysikerne kommer med ideer, men normalt vil de spørge, hvad nogen kan lave, og de vil designe et eksperiment omkring det, " sagde Frygt. "Hvis vi kan lave et materiale, som de aldrig troede, vi kunne lave før, de vil komme med nye eksperimenter, der passer til disse muligheder."