Seashell-inspirert sukkerskjold beskytter materialer i fiendtlige miljøer

Ord av et usedvanlig billig materiale, lett nok til å beskytte satellitter mot rusk i kulden i verdensrommet, sammenhengende nok til å styrke veggene til trykkbeholdere som opplever gjennomsnittlige forhold på jorden og likevel varmebestandig nok ved 1500 grader Celsius eller 2732 grader Fahrenheit til skjerminstrumenter mot flygende rusk, reiser spørsmålet: hvilket enkelt materiale kan gjøre alt dette?

Svaret, funnet hos Sandia National Laboratories, er søtt som sukker.

Det er fordi det faktisk er sukker – veldig tynne lag med konditorsukker fra kjøpmennene, brent til en tilstand som kalles kullsvartispedd bare litt tykkere lag av silika, som er det vanligste materialet på jorden, og bakt. Resultatet minner om en fin lagkake, eller mer presist, den organiske og uorganiske lagdelingen av et skjell, hvor hvert lag hjelper det neste med å begrense og dempe sjokk.

“Et materiale som kan overleve en rekke fornærmelser – mekaniske, sjokk og røntgenstråler – kan brukes til å motstå tøffe miljøforhold,” sa Sandia-forsker Guangping Xu, som ledet utviklingen av det nye belegget. “Dette materialet har ikke vært lett tilgjengelig. Vi tror at vår lagdelte nanokompositt, som etterligner strukturen til et skjell, er det svaret.”

Mest betydningsfullt, sa Xu, “Det selvmonterte belegget er ikke bare lett og mekanisk sterkt, men også termisk stabilt nok til å beskytte instrumenter i eksperimentelle fusjonsmaskiner mot deres eget genererte rusk der temperaturene kan være rundt 1500 C. Dette var det første fokuset. av arbeidet.”

“Og det er kanskje bare begynnelsen,” sa konsulent Rick Spielman, seniorforsker og fysikkprofessor ved Laboratory for Laser Energetics ved University of Rochester, kreditert for å lede den første utformingen av Sandias Z-maskin, en av destinasjonene som nytt materiale er tiltenkt. — Det er sikkert hundre bruksområder vi ikke har tenkt på. Han ser for seg mulige elektrodeapplikasjoner som forsinker, i stedet for å blokkere, overflateelektronutslipp.

Hjelper det kjernefysiske overlevelsesoppdraget

Belegget, som kan legges lagvis på en rekke underlag uten miljøproblemer, var gjenstand for en Sandia-patentsøknad i juni 2021, en invitert tale på en pulserende kraftkonferanse i desember 2021 og igjen i en fersk teknisk artikkel i MRS fremmerhvorav Xu er hovedforfatter.

Arbeidet ble gjort i påvente av den økte skjermingen som vil være nødvendig for å beskytte testobjekter, diagnostikk og drivere inne i fremtidens kraftigere pulserende kraftmaskiner. Sandias pulserende Z-maskin – for tiden den kraftigste produsenten av røntgenstråler på jorden – og dens etterfølgere vil helt sikkert kreve enda større ruskbeskyttelse mot krefter som kan sammenlignes med tallrike dynamittstaver som eksploderer på nært hold.

“Den nye skjermingen bør ha en positiv innvirkning på vårt atomoverlevelsesoppdrag,” sa papirforfatter og Sandia-fysiker Chad McCoy. “Z er den lyseste røntgenkilden i verden, men mengden røntgenstråler er bare et par prosent av den totale energien som frigjøres. Resten er sjokk og rusk. Når vi prøver å forstå hvordan materie – som metaller og polymerer – interagerer med røntgenstråler, vi vil vite om rusk skader prøvene våre, har endret mikrostrukturen. Akkurat nå er vi ved grensen hvor vi kan beskytte prøvemateriale mot uønskede fornærmelser, men kraftigere testmaskiner vil kreve bedre skjerming, og denne nye teknologien kan muliggjøre passende beskyttelse.”

Andre, mindre spesialiserte bruksområder er fortsatt muligheter.

Det rimelige, miljøvennlige skjoldet er lett nok til å kjøre ut i verdensrommet som en beskyttende lag på satellitter fordi det trengs relativt lite materiale for å oppnå samme motstandskraft som tyngre, men mindre effektiv skjerming som for tiden er i bruk for å beskytte mot kollisjoner med romsøppel. “Satellitter i verdensrommet blir truffet konstant av rusk som beveger seg med noen få kilometer per sekund, samme hastighet som rusk fra Z,” sa McCoy. “Med dette belegget kan vi gjøre ruskskjoldet tynnere, og redusere vekten.”

Tykkere skjoldbelegg er holdbare nok til å styrke veggene til trykkbeholdere når ekstra gram ikke er et problem.

Forventet dramatisk kostnadsreduksjon

Ifølge Guangping er materialkostnaden for å fremstille et 2-tommers diameterbelegg av det nye beskyttelsesmaterialet, 45 milliondeler av en meter og mikron tykt, bare 25 cent. I motsetning til dette koster en berylliumplate – den som passer nærmest de termiske og mekaniske egenskapene til det nye belegget, og som er i bruk på Sandias Z-maskin og andre fusjonssteder som beskyttende skjold – 700 dollar i nyere markedspriser for en 1-tommers firkant, 23 -mikrontykk wafer, som er 3800 ganger dyrere enn den nye filmen med samme areal og tykkelse.

Begge belegg kan overleve temperaturer godt over 1000 C, men en ytterligere vurdering er at det nye belegget er miljøvennlig. Kun etanol tilsettes for å lette belegningsprosessen. Beryllium skaper giftige forhold, og omgivelsene må renses for faren etter bruk.

Hvordan testingen foregikk

Prinsippet om å veksle mellom organiske og uorganiske lag, en viktig faktor i skjellets levetid, er nøkkelen til å styrke Sandia-belegget. De organiske sukkerlagene som er brent til kjønrøk, fungerer som en caulk, sa Sandia-sjef og papirforfatter Hongyou Fan. De stopper også sprekker fra å spre seg gjennom den uorganiske silikastrukturen og gir lag med demping for å øke dens mekaniske styrke, slik det ble rapportert for 20 år siden i et tidligere Sandia-forsøk på å etterligne skjellmodusen.

Greg Frye-Mason, Sandia-kampanjeleder for Assured Survivability and Agility with Pulsed Power, eller ASAP, Laboratory Directed Research and Development misjonskampanje som finansierer forskningen, var i utgangspunktet i tvil om karboninnsettingen.

“Jeg trodde at de organiske lagene ville begrense anvendeligheten siden de fleste brytes ned med 400 til 500 C,” sa han.

Men da karbon-svart-konseptet demonstrerte robusthet til godt over 1 000 C, overvant det positive resultatet den største risikoen som Frye-Mason så på prosjektet.

Seashell-lignende belegg som opprinnelig ble testet på Sandia varierte mellom noen få og 13 lag. Disse vekslende materialene ble presset mot hverandre etter å ha blitt varmet opp i par, slik at overflatene deres ble tverrbundet. Tester viste at slike sammenvevde nanokomposittlag av silika med det brente sukkeret, kjent som kjønrøk etter pyrolyse, er 80 % sterkere enn silisiumdioksyd i seg selv og termisk stabile til anslagsvis 1650 C. Senere sintringsforsøk viste at lagene ble selvmontert gjennom en spinn. -beleggingsprosessen, kan være batch-bakt og deres individuelle overflater fortsatt kryssbundet tilfredsstillende, noe som fjerner det kjedelige med å bake hvert lag. Den mer effektive prosessen oppnådde nesten samme mekaniske styrke.

Forskning på belegget var ment å utvikle metoder for å beskytte diagnostikk og testprøver på Z og på neste generasjons pulserende kraftmaskiner fra flygende rusk.

“Dette belegg kvalifiserer,” sa Frye-Mason.

---

---