Der von Muscheln inspirierte Zuckerschild schützt Materialien in feindlichen Umgebungen

Die Rede ist von einem außerordentlich kostengünstigen Material, leicht genug, um Satelliten in der Kälte des Weltraums vor Trümmern zu schützen, kohäsiv genug, um die Wände von Druckbehältern zu stärken, die durchschnittlichen Bedingungen auf der Erde ausgesetzt sind, und dennoch hitzebeständig genug bei 1.500 Grad Celsius oder 2.732 Grad Fahrenheit Instrumente vor umherfliegenden Trümmern zu schützen, wirft die Frage auf: Welches einzelne Material könnte das alles leisten?

Die Antwort, die in den Sandia National Laboratories gefunden wurde, ist zuckersüß.

Das liegt daran, dass es sich tatsächlich um Zucker handelt – sehr dünne Schichten Puderzucker aus den Lebensmittelgeschäften, die zu einem Zustand gebrannt werden, der als Ruß bezeichnet wird, zwischen nur geringfügig dickeren Schichten aus Siliziumdioxid, dem häufigsten Material auf der Erde, eingestreut und gebacken werden. Das Ergebnis ähnelt einem feinen Schichtkuchen, oder genauer gesagt, der organischen und anorganischen Schichtung einer Muschel, wobei jede Schicht der nächsten hilft, Schocks einzudämmen und abzuschwächen.

„Ein Material, das eine Vielzahl von Belastungen überstehen kann – mechanisch, Schock und Röntgenstrahlen – kann verwendet werden, um rauen Umgebungsbedingungen standzuhalten“, sagte Sandia-Forscher Guangping Xu, der die Entwicklung der neuen Beschichtung leitete. „Dieses Material war nicht ohne weiteres verfügbar. Wir glauben, dass unser geschichtetes Nanokomposit, das die Struktur einer Muschel nachahmt, die Antwort ist.“

Am wichtigsten sagte Xu: „Die selbstorganisierte Beschichtung ist nicht nur leicht und mechanisch stark, sondern auch thermisch stabil genug, um Instrumente in experimentellen Fusionsmaschinen vor ihren eigenen erzeugten Trümmern zu schützen, bei denen die Temperaturen etwa 1.500 ° C betragen können. Dies war der ursprüngliche Fokus der Arbeit.“

„Und das könnte nur der Anfang sein“, sagte Berater Rick Spielman, leitender Wissenschaftler und Physikprofessor am Laboratory for Laser Energetics an der University of Rochester, dem die Leitung des ersten Designs von Sandias Z-Maschine zugeschrieben wird, eines der Ziele für das die neues Material ist vorgesehen. „Es gibt wahrscheinlich hundert Anwendungen, an die wir nicht gedacht haben.“ Er stellt sich mögliche Elektrodenanwendungen vor, die die Oberflächenelektronenemissionen verzögern, anstatt sie zu blockieren.

Unterstützung der nuklearen Überlebensmission

Die Beschichtung, die ohne Umweltprobleme auf eine Vielzahl von Substraten aufgetragen werden kann, war Gegenstand einer Sandia-Patentanmeldung im Juni 2021, eines eingeladenen Vortrags auf einer Pulsed-Power-Konferenz im Dezember 2021 und erneut in einem kürzlich erschienenen Fachartikel in MRS Fortschrittedessen Hauptautor Xu ist.

Die Arbeit wurde in Erwartung der erhöhten Abschirmung durchgeführt, die zum Schutz von Testobjekten, Diagnosen und Treibern in den leistungsstärkeren gepulsten Kraftmaschinen der Zukunft erforderlich sein wird. Sandias gepulste Z-Maschine – derzeit der stärkste Erzeuger von Röntgenstrahlen auf der Erde – und ihre Nachfolger werden sicherlich einen noch größeren Trümmerschutz gegen Kräfte benötigen, die sich mit zahlreichen Dynamitstangen vergleichen könnten, die aus nächster Nähe explodieren.

„Die neue Abschirmung sollte sich positiv auf unsere Mission zur nuklearen Überlebensfähigkeit auswirken“, sagte der Autor der Studie und Sandia-Physiker Chad McCoy. „Z ist die hellste Röntgenquelle der Welt, aber die Menge an Röntgenstrahlen macht nur ein paar Prozent der freigesetzten Gesamtenergie aus. Der Rest sind Erschütterungen und Trümmer. Wenn wir versuchen zu verstehen, wie Materie – wie Metalle und Polymere – interagiert mit Röntgenstrahlen, wir wollen wissen, ob Trümmer unsere Proben beschädigen, ihre Mikrostruktur verändert haben. Im Moment sind wir an der Grenze, wo wir Probenmaterialien vor unerwünschten Angriffen schützen können, aber leistungsfähigere Prüfmaschinen werden erforderlich sein bessere Abschirmung, und diese neue Technologie kann einen angemessenen Schutz ermöglichen.“

Andere, weniger spezialisierte Verwendungen bleiben möglich.

Die kostengünstige, umweltfreundliche Abschirmung ist leicht genug, um als Schutzschicht auf Satelliten ins All zu fliegen, da vergleichsweise wenig Material benötigt wird, um die gleiche Widerstandsfähigkeit zu erreichen wie schwerere, aber weniger wirksame Abschirmungen, die derzeit zum Schutz vor Kollisionen mit Weltraumschrott verwendet werden. „Satelliten im Weltraum werden ständig von Trümmern getroffen, die sich mit einigen Kilometern pro Sekunde bewegen, der gleichen Geschwindigkeit wie Trümmer von Z“, sagte McCoy. „Mit dieser Beschichtung können wir den Schmutzschild dünner machen und das Gewicht verringern.“

Dickere Abschirmbeschichtungen sind haltbar genug, um die Wände von Druckbehältern zu verstärken, wenn zusätzliche Unzen kein Problem darstellen.

Drastische Kostensenkung erwartet

Laut Guangping betragen die Materialkosten für die Herstellung einer Beschichtung aus dem neuen Schutzmaterial mit einem Durchmesser von 2 Zoll und einer Dicke von 45 Millionstel Metern und Mikrometern nur 25 Cent. Im Gegensatz dazu kostet ein Beryllium-Wafer – der den thermischen und mechanischen Eigenschaften der neuen Beschichtung am nächsten kommt und in Sandias Z-Maschine und anderen Fusionsstandorten als Schutzschilde verwendet wird – zu aktuellen Marktpreisen 700 US-Dollar für ein 1-Zoll-Quadrat, 23 -Mikrometer-dicker Wafer, der 3.800-mal teurer ist als die neue Folie gleicher Fläche und Dicke.

Beide Beschichtungen können Temperaturen weit über 1.000 C überstehen, aber eine weitere Überlegung ist, dass die neue Beschichtung umweltfreundlich ist. Es wird nur Ethanol hinzugefügt, um den Beschichtungsprozess zu erleichtern. Beryllium schafft toxische Bedingungen, und seine Umgebung muss nach seiner Verwendung von der Gefahr gereinigt werden.

Wie die Prüfung ablief

Das Prinzip der abwechselnden organischen und anorganischen Schichten, ein wichtiger Faktor für die Langlebigkeit von Muscheln, ist der Schlüssel zur Stärkung der Sandia-Beschichtung. Die zu Ruß verbrannten organischen Zuckerschichten wirken wie eine Dichtungsmasse, sagte Sandia-Manager und Papierautor Hongyou Fan. Sie verhindern auch, dass sich Risse durch die anorganische Silikastruktur ausbreiten, und bieten Polsterschichten, um die mechanische Festigkeit zu erhöhen, wie vor 20 Jahren in einem früheren Versuch von Sandia, den Muschelmodus nachzuahmen, berichtet wurde.

Greg Frye-Mason, Sandia-Kampagnenmanager für die Missionskampagne Assured Survivability and Agility with Pulsed Power oder ASAP, Laboratory Directed Research and Development, die die Forschung finanziert, hatte zunächst Zweifel an der Einfügung von Kohlenstoff.

„Ich dachte, dass die organischen Schichten die Anwendbarkeit einschränken würden, da die meisten bei 400 bis 500 °C abgebaut werden“, sagte er.

Aber als das Rußkonzept eine Robustheit bis weit über 1.000 °C zeigte, überwand das positive Ergebnis das größte Risiko, das Frye-Mason für das Projekt sah.

Muschelartige Beschichtungen, die ursprünglich bei Sandia getestet wurden, variierten zwischen wenigen und 13 Schichten. Diese alternierenden Materialien wurden nach paarweisem Erhitzen gegeneinander gepresst, wodurch sich ihre Oberflächen vernetzten. Tests zeigten, dass solche verwobenen Nanokompositschichten aus Siliziumdioxid mit dem gebrannten Zucker, nach der Pyrolyse als Ruß bekannt, 80 % stärker als Siliziumdioxid selbst und bis zu einer geschätzten Temperatur von 1.650 °C thermisch stabil sind -Beschichtungsverfahren, chargenweise eingebrannt werden konnten und ihre einzelnen Oberflächen immer noch zufriedenstellend vernetzt waren, wodurch das mühsame Einbrennen jeder Schicht entfällt. Das effizientere Verfahren erreichte nahezu die gleiche mechanische Festigkeit.

Die Forschung an der Beschichtung sollte Methoden entwickeln, um Diagnose- und Testproben auf Z und auf gepulsten Kraftmaschinen der nächsten Generation vor herumfliegenden Trümmern zu schützen.

„Diese Beschichtung ist geeignet“, sagte Frye-Mason.