Ouro, prata e cobre são metais pesados, mas os cientistas do LLNL agora podem torná-los quase tão leves quanto o ar - em uma forma tão pequena que pode montar nas costas de um mosquito.

A ciência inovadora, parte de um projeto conjunto NIF / Ciências Físicas e da Vida (PLS) apoiado pelo Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório (LDRD), criou essas espumas de metal de densidade ultrabaixa para dar aos físicos melhores fontes de raios-X para empregar em experimentos que apoiam a missão de Gestão de Estoque do NIF.

A espuma é o produto de um esforço de pesquisa de quase uma década por membros das diretorias NIF e PLS do Laboratório para uso em experimentos de fusão por confinamento inercial (ICF) no NIF, o sistema de laser mais energético do mundo.

"Estamos olhando principalmente para questões científicas fundamentais que governam como sintetizar, montar e moldar aerogéis baseados em nanofios de metal, "disse o cientista de materiais Michael Bagge-Hansen, investigador principal do projeto LDRD.

O material é chamado de espuma porque, historicamente, é assim que esses tipos de materiais eram chamados, mas não é um material feito por espuma. É uma teia semelhante a um espaguete de fios do tamanho de um nanômetro conectados aleatoriamente, formado na forma de um marshmallow em miniatura e contendo o mesmo ou menos número de átomos que o ar.

O físico Sergei Kucheyev chama isso de "monólito de metal poroso. Há muita coisa acontecendo aqui em termos de química e física".

Fontes de raios X

Os cientistas procuraram diferentes metais de densidade ultrabaixa que podem ser usados ​​como alvos para fontes de raios-X movidos a laser para experimentos que investigam ainda mais as propriedades de vários materiais colocados sob as condições extremas possíveis quando 192 lasers de alta potência do NIF são direcionados para dentro da câmara-alvo , disse Tyler Fears, um cientista da equipe da Divisão de Ciência de Materiais do LLNL (MSD).

Cada elemento emite um conjunto característico de raios-X quando aquecido por lasers em um plasma, Medos explicados. As espumas de metal podem imitar o gás, embora sejam feitas de materiais que não são gases à temperatura ambiente.

A física subjacente das fontes de raios-X movidas a laser, Contudo, define o padrão com especificações rigorosas para os tipos, densidades, formas e tamanhos de espumas de metal necessárias para experimentos.

"Precisamos de alvos de metal pesado que tenham a densidade do ar e alguns milímetros de tamanho dentro de dimensões bem definidas, "disse ele." Nosso desafio é tentar cumprir todos esses objetivos ao mesmo tempo. "

A equipe também tinha que se certificar de que as técnicas que desenvolveram pudessem ser repetidas para produzir as espumas de forma consistente, mesmo se o tamanho, a forma e a composição são alteradas para atender às necessidades experimentais futuras.

"Você precisa ser capaz de fazer o mesmo material ou um material comparável todas as vezes, "Medos, disse." Temos que entender quando mudamos algo, como isso vai mudar o produto? Se você mudar a densidade ou se mudar a forma, você tem que saber que é a única coisa que você está mudando. "

Kucheyev disse que a pesquisa data de quase uma década, mas "apenas nos últimos anos obtivemos espumas desta qualidade incrível."

Algumas versões anteriores envelhecem no ar antes de poderem ser trazidas para a câmara de destino, quando eles "acabaram parecendo marshmallows velhos e rançosos, "disse ele. Outra iteração saiu de moldes que pareciam distorcidos, enquanto outros se desintegravam com tanta facilidade, um membro da equipe os chamou de "cinzas de cigarro".

A equipe também tentou usar outros tipos de material de baixa densidade para criar andaimes que fornecessem uma estrutura de suporte para partículas embutidas de metais específicos. Mas os materiais de andaimes criariam raios X indesejados quando atingidos por lasers, que interferiria com os dados de raios-X que os cientistas queriam dos tipos específicos de espuma que estavam testando.

Então, para manter a pureza do espectro de raios-X, a equipe teve que criar a estrutura de arame a partir do próprio metal específico, que foi "o maior desafio que tivemos, "disse o cientista de materiais Fang Qian.

"A escassez de literatura anterior sobre a criação desses tipos de fios em grandes quantidades significou que tivemos que realizar vários experimentos e estudos fundamentais para entender os mecanismos sintéticos, "disse ela." Também aproveitamos várias ferramentas de caracterização em MSD para avaliar modelos de crescimento, estrutura, superfície e química desses materiais únicos. Acabamos desenvolvendo nossa própria receita e protocolo exclusivos. "

Qian acrescentou que a MSD "agora pode realizar rapidamente a pesquisa local e o desenvolvimento de nanomateriais metálicos, como partículas e fios, e reproduzir matérias-primas na escala de gramas usando procedimentos rigorosamente testados. "

Secagem supercrítica

A equipe congela o nanofio dentro de um molde de criação de formas, normalmente preenchido com uma mistura de água e glicerol. Quando endurece, o nanofio parece uma "malha interconectada aleatoriamente de espaguete congelado, "Kucheyev disse.

O material é então removido do molde e a água congelada é extraída, substituindo-a pelo solvente acetona, que é então dissolvido em um processo de secagem supercrítico usando dióxido de carbono líquido, deixando apenas o metal e o ar. A secagem supercrítica garante que o líquido se transforme em uma fase gasosa sem criar um menisco que poderia danificar a frágil estrutura de espuma de metal de ultra baixa densidade.

"Você não tem nenhuma pressão capilar e isso também permite que você mantenha os poros muito pequenos sem qualquer encolhimento, "Medos disseram.

A equipe produziu espuma de cobre e prata, e a prata teve um bom desempenho em fotos NIF. A equipe é capaz de produzir espumas de ouro, que ainda tendem a cair das montagens que os prendem na frente dos lasers do NIF. "Esse é o desafio que estamos tentando superar agora, "Medos disseram.

O projeto LDRD financiado pelo PLS / NIF foi desenvolvido para se basear no trabalho anterior da equipe com prata e cobre para que os cientistas de materiais possam fazer espumas metálicas de densidade ultra-baixa com outros metais "para responder às necessidades atuais e futuras, "Bagge-Hansen disse. A equipe agora está trabalhando com estanho e ouro.

"Traduzir esses sucessos em outros materiais (por exemplo, ouro) levantou desafios técnicos significativos que navegamos no LDRD, "ele disse." Atribuo nosso sucesso a um inovador, equipe diversificada de cientistas que compartilham suas experiências técnicas variadas para resolver um desafio altamente multidisciplinar. "

O esforço também incluiu 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 e Suhas Bhandarkar.

As espumas foram desenvolvidas especificamente para NIF como fontes de raios-X. O material também pode ser aplicado a outros usos, Contudo, como conchas alvo ou forros hohlraum. E agora que os cientistas sabem que o material pode ser feito, pode estimular ideias criativas para experimentos futuros.

"Os físicos têm ideias, mas geralmente eles perguntam o que alguém pode fazer, e eles vão projetar um experimento em torno disso, "Medos disseram." Se pudermos fazer um material que eles nunca pensaram que poderíamos fazer antes, eles farão novos experimentos para se adequar a essas capacidades. "