Захарният щит, вдъхновен от морски черупки, защитава материалите във враждебна среда


                    Щитът Sandia, вдъхновен от раковини, защитава материалите във враждебна среда

Напречно изображение на SEM A и STEM B, показващо 5-слойната нанокомпозитна структура с редуващи се слоеве силициев диоксид и сажди след нагряване при повече от 800 °C. B HAADF изображението и профилите на интензитета за въглерод и силиций показват интерфейсите между субстрата и слоевете силициев диоксид с покритие отдясно и въглеродния слой, извлечен от захар, между два слоя силициев диоксид отляво. Дебелината на въглеродния слой се оценява на ~ 10–20 nm въз основа на пика на въглеродния сигнал. кредит: MRS Advances (2022 г.). DOI: 10.1557/s43580-022-00245-y

Думата за изключително евтин материал, достатъчно лек, за да защити спътниците от отломки в студа на космическото пространство, достатъчно сплотен, за да укрепи стените на съдове под налягане, които изпитват средни условия на Земята и все пак достатъчно устойчив на топлина при 1500 градуса по Целзий или 2732 градуса по Фаренхайт, за да щитови инструменти срещу летящи отломки, повдига въпроса: кой отделен материал може да направи всичко това?

Отговорът, намерен в Националните лаборатории на Сандия, е сладък като захар.

Това е така, защото всъщност това е захар — много тънки слоеве захар на сладкарите от бакалиите, изгорени до състояние, наречено карбоново черноразпръснат само между малко по-дебели слоеве от силициев диоксид, който е най-разпространеният материал на Земята, и изпечен. Резултатът наподобява фин слой торта, или по-точно, органичното и неорганичното наслояване на мида, като всеки слой помага на следващия да задържи и смекчи шока.

„Материал, който може да оцелее при различни наранявания – механични, ударни и рентгенови – може да се използва, за да издържи на тежки условия на околната среда“, каза изследователят на Sandia Гуанпин Сю, който ръководи разработването на новото покритие. “Този материал не е бил лесно достъпен. Ние вярваме, че нашият многослоен нанокомпозит, имитиращ структурата на мида, е този отговор.”

Най-важното, Xu каза: „Самосглобеното покритие е не само леко и механично здраво, но и достатъчно термично стабилно, за да предпази инструментите в експериментални машини за синтез срещу собствените им генерирани отломки, при които температурите може да са около 1500 C. Това беше първоначалният фокус на работата.”

„И това може да е само началото“, каза консултантът Рик Спилман, старши учен и професор по физика в Лабораторията за лазерна енергетика в Университета в Рочестър, на когото се приписва водещият първоначален дизайн на Z машината на Сандия, една от дестинациите, за които е предвиден нов материал. „Вероятно има сто приложения, за които не сме се сетили.“ Той предвижда възможни приложения на електроди, които забавят, а не блокират повърхностните електронни емисии.

Щитът Sandia, вдъхновен от раковини, защитава материалите във враждебна среда

Физикът Чад Маккой от Z машината на Sandia National Laboratories зарежда покрития с проби в държачи. Когато Z се запали, изследователите ще наблюдават колко добре определени покрития защитават обектите, подредени зад тях. Кредит: Bret Latter, Sandia National Laboratories

Подпомагане на мисията за ядрена оцеляване

Покритието, което може да бъде наслоено върху различни субстрати без проблеми с околната среда, беше предмет на заявка за патент на Sandia през юни 2021 г., поканен разговор на конференция за импулсна мощност през декември 2021 г. и отново в скорошна техническа статия в MRS Advancesна който Xu е водещ автор.

Работата беше извършена в очакване на увеличеното екраниране, което ще бъде необходимо за защита на тестови обекти, диагностика и драйвери в по-мощните импулсни енергийни машини на бъдещето. Машината Z с импулсна мощност на Сандия – в момента най-мощният производител на рентгенови лъчи на Земята – и нейните наследници със сигурност ще изискват още по-голяма защита от отломки срещу сили, които биха могли да се сравнят с множество пръчки динамит, експлодиращи от близко разстояние.

„Новото екраниране трябва да повлияе благоприятно на нашата мисия за оцеляване в ядрената среда“, каза авторът на статията и физикът от Сандия Чад Маккой. „Z е най-яркият източник на рентгенови лъчи в света, но количеството на рентгеновите лъчи е само няколко процента от общата освободена енергия. Останалото са шок и отломки. Когато се опитваме да разберем как материята – като метали и полимери – взаимодейства с рентгенови лъчи, искаме да знаем дали отломките увреждат нашите проби, променили ли са микроструктурата им. В момента сме на границата, където можем да защитим пробните материали от нежелани обиди, но по-мощните машини за тестване ще изискват по-добро екраниране и тази нова технология може да даде възможност за подходяща защита.”

Други, по-малко специализирани употреби остават възможности.

Евтиният, екологичен щит е достатъчно лек, за да се качи в космоса като защитен слой на спътници, тъй като е необходим сравнително малко материал за постигане на същата устойчивост като по-тежката, но по-малко ефективна екранировка, която се използва в момента за защита срещу сблъсъци с космически боклук. „Сателитите в космоса се удрят постоянно от отломки, движещи се с няколко километра в секунда, със същата скорост като отломките от Z“, каза Маккой. “С това покритие можем да направим щита от отломки по-тънък, намалявайки теглото.”

По-дебелите защитни покрития са достатъчно издръжливи, за да укрепят стените на съдовете под налягане, когато добавените унции не са проблем.

Очаква се драстично намаляване на разходите

Според Гуангпин цената на материала за изработване на покритие с диаметър 2 инча от новия защитен материал, с дебелина 45 милионни от метъра и микрона, е само 25 цента. За разлика от тях, берилиевата пластина – най-близкото съответствие с термичните и механичните свойства на новото покритие и използвана в Z машината на Sandia и други места за синтез като защитни щитове – струва $700 по скорошни пазарни цени за 1-инчов квадрат, 23 – вафла с дебелина на микрона, която е 3800 пъти по-скъпа от новия филм със същата площ и дебелина.

И двете покрития могат да издържат на температури доста над 1000 C, но допълнително съображение е, че новото покритие е екологично. Добавя се само етанол, за да се улесни процеса на покритие. Берилият създава токсични условия и околностите му трябва да бъдат почистени от опасността след употреба.

Как протече тестването

Принципът на редуване на органични и неорганични слоеве, основен фактор за дълголетието на мидите, е от ключово значение за укрепването на покритието на Sandia. Слоевете от органична захар, изгорени до сажди, действат като замазка, каза мениджърът на Сандия и автор на хартия Хонгю Фен. Те също така спират разпространението на пукнатини през структурата на неорганичния силициев диоксид и осигуряват слоеве от амортизация за увеличаване на нейната механична якост, както беше съобщено преди 20 години в по-ранен опит на Sandia да имитира режима на мида.

Грег Фрай-Мейсън, мениджър на кампанията в Сандия за гарантирана оцеляване и гъвкавост с импулсна мощност, или ASAP, кампания на мисия за лабораторно насочено изследване и развитие, финансираща изследването, първоначално имаше съмнения относно вмъкването на въглерод.

„Мислех, че органичните слоеве ще ограничат приложимостта, тъй като повечето се разграждат с 400 до 500 C“, каза той.

Но когато концепцията за въглеродно-черно дърво демонстрира стабилност до доста над 1000 C, положителният резултат преодолява най-големия риск, който Фрай-Мейсън вижда пред проекта.

                    Щитът Sandia, вдъхновен от раковини, защитава материалите във враждебна среда

Механични свойства на представителни високоякостни материали спрямо естествената мида и покритието, разработено от Sandia National Laboratories. Кредит: Guangping Xu et al

Покритията, подобни на морски черупки, първоначално тествани в Sandia, варираха между няколко до 13 слоя. Тези редуващи се материали бяха притиснати един към друг след нагряване по двойки, така че техните повърхности са омрежени. Тестовете показаха, че такива преплетени нанокомпозитни слоеве от силициев диоксид с изгорената захар, известни като сажди след пиролиза, са 80% по-силни от самия силициев диоксид и термично стабилни до приблизително 1650 C. По-късните усилия за синтероване показват, че слоевете, самосглобени чрез центрофугиране -процес на нанасяне на покритие, могат да бъдат изпечени периодично и отделните им повърхности все още са омрежени задоволително, премахвайки досадното изпичане на всеки слой. По-ефективният процес постига почти същата механична якост.

Изследването на покритието имаше за цел да разработи методи за защита на диагностични и тестови проби на Z и на машини с импулсна мощност от следващо поколение от летящи отломки.

“Това покритие се квалифицира”, каза Фрай-Мейсън.


Покритието със спрей може да направи слънчевите панели устойчиви на сняг


Повече информация:
Guangping Xu et al, Биовдъхновен синтез на термично стабилни и механично здрави нанокомпозитни покрития, MRS Advances (2022 г.). DOI: 10.1557/s43580-022-00245-y

Цитат: Вдъхновен от раковини захарен щит защитава материали във враждебни среди (2022 г., 3 май), извлечен на 4 май 2022 г. от https://phys.org/news/2022-05-seashell-inspired-sugar-shield-materials-hostile.html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяка честна сделка с цел частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писменото разрешение. Съдържанието е предоставено само за информационни цели.