Goud, zilver en koper zijn zware metalen, maar LLNL-wetenschappers kunnen ze nu bijna zo licht als lucht maken - in een vorm die zo klein is dat hij op de rug van een mug kan rijden.

De baanbrekende wetenschap, onderdeel van een gezamenlijk NIF/Physical and Life Sciences (PLS) project ondersteund door het Laboratory Directed Research and Development (LDRD) Program, heeft deze metaalschuimen met ultralage dichtheid gemaakt om natuurkundigen betere röntgenbronnen te geven die ze kunnen gebruiken in experimenten die NIF's Stockpile Stewardship-missie ondersteunen.

Het schuim is het product van een bijna tien jaar durende onderzoeksinspanning door leden van de NIF- en PLS-directoraten van het Lab voor gebruik bij inertiële opsluitingsfusie-experimenten (ICF) bij NIF, 's werelds meest energieke lasersysteem.

"We kijken in de eerste plaats naar fundamentele wetenschappelijke vragen die bepalen hoe te synthetiseren, assembleer en vorm op metalen nanodraad gebaseerde aerogels, " zei materiaalwetenschapper Michael Bagge-Hansen, hoofdonderzoeker van het LDRD-project.

Het materiaal wordt schuim genoemd omdat dit soort materialen historisch zo werden genoemd, maar het is geen materiaal gemaakt door schuimen. Het is een spaghetti-achtig web van willekeurig verbonden draden van nanometerformaat, gevormd in de vorm van een miniatuur marshmallow en met hetzelfde of minder aantal atomen als lucht.

Natuurkundige Sergei Kucheyev noemt het een "poreuze metalen monoliet. Er gebeurt hier veel op het gebied van zowel scheikunde als natuurkunde."

Röntgenbronnen

Wetenschappers zochten verschillende metalen met een ultralage dichtheid die kunnen worden gebruikt als doelen voor lasergestuurde röntgenbronnen voor experimenten om de eigenschappen van verschillende materialen die onder de extreme omstandigheden zijn geplaatst, verder te onderzoeken wanneer de 192 krachtige lasers van NIF in de doelkamer worden gericht , zei Tyler Angsten, een stafwetenschapper bij de Materials Science Division (MSD) van de LLNL.

Elk element zendt een karakteristieke reeks röntgenstralen uit wanneer het door lasers wordt verwarmd tot een plasma, Angsten uitgelegd. Metaalschuimen kunnen gas nabootsen, ook al zijn ze gemaakt van materialen die bij kamertemperatuur geen gas zijn.

De onderliggende fysica van lasergestuurde röntgenbronnen, echter, legt de lat hoog met strenge specificaties voor de types, dichtheden, vormen en maten van metaalschuim nodig voor experimenten.

"We hebben doelen van zwaar metaal nodig die ongeveer de dichtheid van lucht hebben en een paar millimeter groot zijn binnen goed gedefinieerde afmetingen, " zei hij. "Onze uitdaging is om te proberen al die doelen tegelijkertijd te bereiken."

Het team moest er ook voor zorgen dat de technieken die ze ontwikkelden konden worden herhaald om de schuimen consistent te produceren, zelfs als de grootte, vorm en samenstelling worden veranderd om aan toekomstige experimentele behoeften te voldoen.

"Je moet elke keer hetzelfde materiaal of een vergelijkbaar materiaal kunnen maken, " Fears zei. "We moeten begrijpen wanneer we iets veranderen, hoe gaat dat het product veranderen? Als u de dichtheid of de vorm verandert, je moet weten dat dat het enige is dat je verandert."

Kucheyev zei dat het onderzoek bijna tien jaar teruggaat, maar "pas in de laatste paar jaar kregen we schuim van deze geweldige kwaliteit."

Sommige eerdere versies hebben in de lucht gerijpt voordat ze in de doelkamer konden worden gebracht, toen ze "eruitzagen als oude muffe marshmallows, " zei hij. Een andere iteratie kwam uit mallen die er vervormd uitzagen, terwijl anderen zo gemakkelijk uit elkaar vielen dat een teamlid ze 'sigarettenas' noemde.

Het team probeerde ook andere soorten materiaal met een lage dichtheid te gebruiken om steigers te maken die een ondersteunende structuur boden voor ingebedde deeltjes van de specifieke metalen. Maar de steigermaterialen zouden ongewenste röntgenstralen creëren wanneer ze door lasers worden geraakt, die zouden interfereren met de röntgengegevens die wetenschappers wilden van de specifieke soorten schuim die ze aan het testen waren.

Dus, om de zuiverheid van het röntgenspectrum te behouden, het team moest de draadstructuur zelf uit het specifieke metaal maken, dat was "de grootste uitdaging die we hadden, ", zei materiaalwetenschapper Fang Qian.

"Het gebrek aan eerdere literatuur over het maken van dit soort draden in grote hoeveelheden betekende dat we talloze experimenten en fundamentele studies moesten uitvoeren om de synthetische mechanismen te begrijpen, " zei ze. "We hebben ook verschillende karakteriseringstools in MSD gebruikt om groeimodellen te evalueren, structuur, oppervlak en chemie van deze unieke materialen. Uiteindelijk hebben we ons eigen unieke recept en protocol ontwikkeld."

Qian voegde eraan toe dat MSD "nu snel het on-site onderzoek en de ontwikkeling van metalen nanomaterialen kan uitvoeren, zoals deeltjes en draden, en reproduceren grondstoffen op gramschaal met behulp van rigoureus geteste procedures."

Superkritisch drogen

Het team bevriest de nanodraad in een vormcreërende mal die meestal gevuld is met een water-glycerolmengsel. Als het hard wordt, de nanodraad ziet eruit als een "willekeurig onderling verbonden gaas van bevroren spaghetti, ' zei Kucheyev.

Het materiaal wordt vervolgens uit de mal verwijderd en het bevroren water wordt geëxtraheerd door het te vervangen door het oplosmiddel aceton, die vervolgens wordt opgelost in een superkritisch droogproces met behulp van vloeibare kooldioxide, waardoor alleen het metaal en de lucht overblijven. Superkritisch drogen zorgt ervoor dat de vloeistof in een gasfase verandert zonder een meniscus te creëren die de kwetsbare metaalschuimstructuur met ultralage dichtheid zou kunnen beschadigen.

"Je hebt geen capillaire druk en daardoor kun je ook de zeer kleine poriën behouden zonder enige krimp, ' zei Angsten.

Het team heeft koper- en zilverschuim geproduceerd, en zilver heeft goed gepresteerd in NIF-opnamen. Het team is in staat om goudschuim te produceren, die nog steeds de neiging hebben om van de steunen te vallen die ze voor de lasers van NIF houden. "Dat is de uitdaging die we nu proberen te overwinnen, ' zei Angsten.

Het gezamenlijke PLS/NIF-gefinancierde LDRD-project is ontworpen om voort te bouwen op het eerdere werk van het team met zilver en koper, zodat materiaalwetenschappers metaalschuim met ultralage dichtheid kunnen maken met andere metalen "om te voldoen aan huidige en toekomstige behoeften, " zei Bagge-Hansen. Het team werkt nu zowel aan tin als aan goud.

"Deze successen vertalen naar andere materialen (bijv. goud) bracht aanzienlijke technische uitdagingen met zich mee waar we in de LDRD mee te maken hebben, " zei hij. "Ik schrijf ons succes toe aan een innovatief, divers team van wetenschappers die hun uiteenlopende technische achtergronden delen om een ​​zeer multidisciplinaire uitdaging op te lossen."

De inspanning omvatte ook Mark May, Brent Blauw, Alyssa Troksa, Tom Braun, Thomas Yong-Jin Han, Ted Baumann, Daniël Malone, Corie Horwood, Chantel Aracne-Ruddle, Kelly Jongbloed, Michael Stadermann en Suhas Bhandarkar.

De schuimen zijn speciaal ontwikkeld voor NIF als röntgenbronnen. Het materiaal zou ook voor ander gebruik kunnen worden toegepast, echter, zoals target shells of hohlraum liners. En nu wetenschappers weten dat het materiaal gemaakt kan worden, het zou creatieve ideeën voor toekomstige experimenten kunnen stimuleren.

"De natuurkundigen komen met ideeën, maar meestal vragen ze wat iemand kan maken, en ze zullen daar een experiment omheen ontwerpen, Zei Fears. "Als we een materiaal kunnen maken waarvan ze nooit hadden gedacht dat we het zouden kunnen maken, ze zullen nieuwe experimenten bedenken die bij die mogelijkheden passen."