Palavra de um material extraordinariamente barato, leve o suficiente para proteger satélites contra detritos no frio do espaço sideral, coeso o suficiente para fortalecer as paredes de vasos pressurizados em condições médias na Terra e ainda resistente ao calor a 1.500 graus Celsius ou 2.732 graus Fahrenheit para instrumentos de proteção contra detritos voadores, levanta a questão:que material único poderia fazer tudo isso?
A resposta, encontrada nos Laboratórios Nacionais Sandia, é doce como o açúcar.

Isso porque é, na verdade, açúcar – camadas muito finas de açúcar de confeiteiro das mercearias, queimadas a um estado chamado negro de fumo, intercaladas entre camadas apenas um pouco mais espessas de sílica, que é o material mais comum na Terra, e assadas. O resultado lembra um bolo de camadas finas, ou mais precisamente, as camadas orgânicas e inorgânicas de uma concha, cada camada ajudando a próxima a conter e mitigar o choque.

"Um material que pode sobreviver a uma variedade de insultos - mecânicos, choques e raios-X - pode ser usado para resistir a condições ambientais adversas", disse o pesquisador da Sandia, Guangping Xu, que liderou o desenvolvimento do novo revestimento. "Esse material não está prontamente disponível. Acreditamos que nosso nanocompósito em camadas, imitando a estrutura de uma concha, é essa resposta."

Mais significativamente, Xu disse:"O revestimento auto-montado não é apenas leve e mecanicamente forte, mas também termicamente estável o suficiente para proteger instrumentos em máquinas de fusão experimentais contra seus próprios detritos gerados, onde as temperaturas podem ser de cerca de 1.500 C. Este foi o foco inicial do trabalho."

"E isso pode ser apenas o começo", disse o consultor Rick Spielman, cientista sênior e professor de física do Laboratório de Energia Laser da Universidade de Rochester, creditado por liderar o projeto inicial da máquina Z de Sandia, um dos destinos para os quais o novo material se destina. "Há provavelmente uma centena de usos em que não pensamos." Ele prevê possíveis aplicações de eletrodos atrasando, em vez de bloquear, as emissões de elétrons da superfície.

Ajudando a missão de sobrevivência nuclear

O revestimento, que pode ser aplicado em uma variedade de substratos sem problemas ambientais, foi objeto de um pedido de patente da Sandia em junho de 2021, uma palestra convidada em uma conferência de energia pulsada em dezembro de 2021 e novamente em um artigo técnico recente em Adiantamentos MRS , do qual Xu é o autor principal.

O trabalho foi feito em antecipação ao aumento da blindagem que será necessária para proteger objetos de teste, diagnósticos e drivers dentro das máquinas de potência pulsada mais poderosas do futuro. A máquina Z de potência pulsada de Sandia – atualmente a mais poderosa produtora de raios X da Terra – e seus sucessores certamente exigirão uma proteção ainda maior contra detritos contra forças que podem ser comparadas a inúmeras bananas de dinamite explodindo a curta distância.

“A nova blindagem deve impactar favoravelmente nossa missão de sobrevivência nuclear”, disse o autor do artigo e físico de Sandia, Chad McCoy. "Z é a fonte de raios X mais brilhante do mundo, mas a quantidade de raios X é apenas alguns por cento da energia total liberada. O resto é choque e detritos. Quando tentamos entender como a matéria - como metais e polímeros — interage com raios-X, queremos saber se os detritos estão danificando nossas amostras, se mudou sua microestrutura. No momento, estamos no limite em que podemos proteger os materiais das amostras de insultos indesejados, mas máquinas de teste mais potentes exigirão melhor blindagem, e esta nova tecnologia pode permitir a proteção adequada."

Outros usos menos especializados permanecem como possibilidades.

O escudo barato e ecologicamente correto é leve o suficiente para viajar para o espaço como uma camada protetora em satélites, porque comparativamente pouco material é necessário para obter a mesma resiliência que a blindagem mais pesada, mas menos eficaz, atualmente em uso para proteger contra colisões com lixo espacial. "Os satélites no espaço são atingidos constantemente por detritos que se movem a alguns quilômetros por segundo, a mesma velocidade dos detritos de Z", disse McCoy. "Com este revestimento, podemos tornar o escudo de detritos mais fino, diminuindo o peso."

Revestimentos de blindagem mais espessos são duráveis ​​o suficiente para fortalecer as paredes de vasos pressurizados quando o acréscimo de onças não é um problema.

Previsão de redução drástica de custos

De acordo com Guangping, o custo do material para fabricar um revestimento de 2 polegadas de diâmetro do novo material de proteção, com 45 milionésimos de metro e mícrons de espessura, é de apenas 25 centavos. Em contraste, uma pastilha de berílio – a mais próxima das propriedades térmicas e mecânicas do novo revestimento, e em uso na máquina Z da Sandia e em outros locais de fusão como escudos protetores – custa US$ 700 a preços de mercado recentes para um quadrado de 1 polegada, 23 -wafer de mícron de espessura, que é 3.800 vezes mais caro que o novo filme de mesma área e espessura.

Ambos os revestimentos podem sobreviver a temperaturas bem acima de 1.000 C, mas uma consideração adicional é que o novo revestimento é ecologicamente correto. Apenas etanol é adicionado para facilitar o processo de revestimento. O berílio cria condições tóxicas e seus arredores devem ser limpos do perigo após seu uso.

Como o teste foi realizado

O princípio da alternância de camadas orgânicas e inorgânicas, um fator importante na longevidade das conchas, é fundamental para fortalecer o revestimento Sandia. As camadas de açúcar orgânico queimadas em negro de fumo agem como uma calafetagem, disse o gerente da Sandia e autor do artigo, Hongyou Fan. Eles também impedem que as rachaduras se espalhem pela estrutura de sílica inorgânica e fornecem camadas de amortecimento para aumentar sua resistência mecânica, como foi relatado há 20 anos em uma tentativa anterior de Sandia de imitar o modo de concha.

Greg Frye-Mason, gerente de campanha da Sandia para a Assured Survivability and Agility with Pulsed Power, ou ASAP, campanha de pesquisa e desenvolvimento dirigido por laboratório que financia a pesquisa, inicialmente teve suas dúvidas sobre a inserção de carbono.

"Achei que as camadas orgânicas limitariam a aplicabilidade, já que a maioria se degrada em 400 a 500 C", disse ele.

Mas quando o conceito de negro de fumo demonstrou robustez a mais de 1.000 C, o resultado positivo superou o maior risco que Frye-Mason viu para o projeto.

Os revestimentos semelhantes a conchas inicialmente testados em Sandia variaram entre algumas e 13 camadas. Esses materiais alternados foram pressionados uns contra os outros depois de serem aquecidos em pares, de modo que suas superfícies se reticularam. Os testes mostraram que essas camadas de nanocompósito de sílica entrelaçadas com o açúcar queimado, conhecido como negro de fumo após a pirólise, são 80% mais fortes que a própria sílica e termicamente estáveis ​​a uma estimativa de 1.650 C. Esforços posteriores de sinterização mostraram que as camadas, automontadas por meio de uma rotação -processo de revestimento, podem ser cozidos em lote e suas superfícies individuais ainda reticuladas satisfatoriamente, removendo o tédio de assar cada camada. O processo mais eficiente alcançou quase a mesma resistência mecânica.

A pesquisa sobre o revestimento visava desenvolver métodos para proteger diagnósticos e amostras de teste em Z e em máquinas de energia pulsada de próxima geração contra detritos voadores.

"Este revestimento se qualifica", disse Frye-Mason. + Explorar mais

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