2019-06-04 20:05:02
用轻盈的空气制作金属

金,银和铜是重金属,但LLNL科学家现在可以使它们几乎像空气一样轻 - 它的形状非常小,可以骑在蚊子的背上。

这项开创性科学是由实验室指导研究与开发(LDRD)计划支持的联合NIF /物理与生命科学(PLS)项目的一部分,它创造了这些超低密度金属泡沫,为物理学家提供了更好的X射线源。支持NIF Stockpile管理任务的实验。

泡沫是实验室NIF和PLS董事会成员长达近十年的研究成果,用于在世界上最具活力的激光系统NIF进行惯性约束聚变(ICF)实验。

“我们主要关注如何合成,组装和成型金属纳米线气凝胶的基础科学问题,”材料科学家Michael Bagge-Hansen说道,他是LDRD项目的首席研究员。

这种材料被称为泡沫,因为历史上这些材料的名称是什么,但它不是由发泡制成的材料。它是一种随意连接的纳米级电线的意大利面条状网,形成微型棉花糖形状,含有与空气相同或更少的原子。

物理学家谢尔盖库切耶夫称其为“多孔金属巨石。在化学和物理方面,这里有很多东西。”

X射线源

科学家们寻求不同的超低密度金属,可用作激光驱动X射线源的目标,进一步探讨在NIF的192个高功率激光器被引导到目标室内的极端条件下放置的各种材料的特性。 LLNL材料科学部(MSD)的科学家Tyler Fears说。

Fears解释说,当激光加热到等离子体中时,每个元素都会发出一组特有的X射线。金属泡沫可以模仿气体,即使它们是由在室温下不是气体的材料制成的。

然而,激光驱动的X射线源的基本物理特性为实验所需的金属泡沫的类型,密度,形状和尺寸提供了严格的规范。

他说:“我们需要重金属目标围绕空气密度和几毫米大小的明确尺寸。” “我们的挑战是试图同时实现所有这些目标。”

该团队还必须确保他们开发的技术可以重复以始终如一地生产泡沫,即使尺寸,形状和成分发生变化以满足未来的实验需求。

“你需要每次都能制作相同的材料或类似的材料,”Fears说。 “我们必须了解何时改变产品,如何改变产品?如果改变密度或改变形状,你必须知道这是你唯一改变的东西。”

库切耶夫表示,这项研究的历史可追溯到近十年,但“仅在最近几年,我们才能获得这种惊人质量的泡沫。”

他说,一些以前的版本在进入目标室之前在空气中老化,当它们“看起来像老陈旧的棉花糖时”。另一个迭代来自看起来扭曲的模具,而其他人则很容易崩溃,一个团队成员称他们为“烟灰”。

该团队还尝试使用其他类型的低密度材料来创建脚手架,为特定金属的嵌入颗粒提供支撑结构。但是脚手架材料在被激光击中时会产生不需要的X射线,这会干扰科学家们从他们正在测试的特定类型的泡沫中获得的X射线数据。

因此,为了保持X射线光谱的纯度,该团队不得不用特定的金属本身制造出导线结构,这是“我们遇到的最大挑战”,材料科学家方倩说。

“以前关于大量制造这类电线的文献的缺乏意味着我们必须进行大量的实验和基础研究才能理解合成机制,”她说。 “我们还利用MSD中的几种表征工具来评估这些独特材料的生长模型,结构,表面和化学。我们最终开发了自己独特的配方和方案。”

Qian补充说,MSD“现在可以快速进行金属纳米材料(如颗粒和线材)的现场研究和开发,并使用经过严格测试的程序以克规模重现原料。”

超临界干燥

该团队将纳米线冻结在一个通常充满水 - 甘油混合物的造型模具内。当它变硬时,纳米线看起来像“随意互连的冷冻意大利面网”,Kucheyev说。

然后从模具中取出材料,用溶剂丙酮代替冷冻水,然后用液态二氧化碳将其溶解在超临界干燥过程中,只留下金属和空气。超临界干燥确保液体转变为气相而不会产生可能损坏脆弱的超低密度金属泡沫结构的弯液面。

“你没有任何毛细血管压力,也可以让你保持非常小的毛孔而不会有任何收缩,”Fears说。

该团队生产了铜和银泡沫,银在NIF拍摄中表现良好。该团队能够生产出金色泡沫,这些泡沫仍然会从NIF激光器前面的支架上掉下来。 “这是我们现在要克服的挑战,”Fears说。

联合PLS / NIF资助的LDRD项目旨在建立该团队以前的银和铜工作,因此材料科学家可以制造超低密度金属泡沫与其他金属“以满足当前和未来的需求,”Bagge-Hansen说。该团队现在正在研究锡和黄金。

“将这些成功转化为其他材料(例如黄金)引发了我们在LDRD中航行的重大技术挑战,”他说。 “我将我们的成功归功于一个创新,多元化的科学家团队,他们分享各种技术背景,以解决高度多学科的挑战。”

其中包括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和Suhas Bhandarkar。

泡沫是专门为NIF开发的X射线源。然而,该材料也可以应用于其他用途,例如目标壳或空腔衬里。现在,科学家们知道这些材料可以制造出来,它可以刺激未来实验的创意。

“物理学家提出了想法,但通常他们会问一个人可以做什么,他们会设计一个实验,”Fears说。 “如果我们能够制作出他们以前从未想过的材料,他们会提出适合这些能力的新实验。”

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