Verfolgen Sie Explosionen mit verstärkten Leuchtspuren

Was passiert bei einer Explosion? Wohin gehen die Produkte dieser Explosion nach der Explosion? Diese Fragen sind oft schwer zu lösen. Neu robuste Tracer-Partikeldas von Forschern des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) entwickelt wurde, kann einige Antworten geben.

Abgesehen von Sprengstoffen könnten viele Branchen daran interessiert sein, Partikel durch raue Umgebungen zu verfolgen – die oft hohe Drücke, hohe Temperaturen und verschiedene Chemikalien beinhalten.

„Es gibt viele chemische Tracer“, sagte Lance Hubbard, Materialwissenschaftler, der die nationale Sicherheitsforschung von PNNL unterstützt. „Die Herausforderung besteht darin, eines zu entwickeln, das raue Umgebungen überstehen kann.

Hubbard und sein Team schufen zusammen mit den PNNL-Forscherkollegen April Carman und Michael Foxe einen Tracer, der unter extremen Bedingungen nicht nur überleben, sondern auch gedeihen konnte. Ihre Arbeit wurde veröffentlicht in MRS-Kommunikation.

Quantenpunkte und wassergetränktes Glas

Organische Materialien wie fluoreszierende Farbstoffe werden üblicherweise als Tracer für Wasserlecks und zur Verfolgung von Zellen in biologischen Experimenten verwendet. Während sie unter diesen Bedingungen hervorragend funktionieren, eignen sie sich nicht so gut zum Aufspüren von Material in Explosionen. Ihr Problem?

„Sie brennen“, sagte Hubbard.

Stattdessen konzentrierten sich Hubbard und sein Team auf anorganische Materialien, um ihre robusten Tracer zu entwickeln – insbesondere Quantenpunkte. Obwohl sie unter rauen Bedingungen viel besser abschneiden als organische Materialien, musste das Forschungsteam die Quantenpunkte dennoch vor den extremen Bedingungen einer chemischen Explosion schützen.

„Es erwies sich als schwierig, einen Weg zu finden, den Tracer zu schützen und gleichzeitig seine Leuchtintensität beizubehalten“, sagte Carman.

Die Helligkeit – oder Lumineszenzintensität – des Tracers kann stark von der lokalen Umgebung beeinflusst werden. Einige Schutzmethoden können die Helligkeit verringern, wodurch der Tracer schwieriger zu erkennen ist. Das Team konzentrierte sich auf die Verwendung von hydratisiertem Siliziumdioxid – „im Grunde wassergetränktes Glas“, wie Hubbard es ausdrückt – um die Quantenpunkte zu schützen und ihre Helligkeit zu erhalten.

Obwohl frühere Silica-Beschichtungsmethoden die Tracer-Lumineszenz deutlich verringerten, waren die vom PNNL-Team entworfenen beschichteten Tracer fast so hell wie die ursprünglichen Quantenpunkte. Weitere Tests zeigten, dass die Partikel bei einer Reihe von pH-Bedingungen lange Zeit überleben konnten.

„Wir wussten, dass wir etwas Besonderes geschaffen haben, als wir unsere Ergebnisse sahen“, sagte Hubbard.

Tracer abstimmbar und massenproduzierbar machen

Speziell ist das eine, im kommerziellen Maßstab nutzbar das andere. Zum Glück für das PNNL-Team war ihre Synthesemethode von Anfang an so konzipiert, dass sie vollständig skalierbar ist, um Massenmengen zu produzieren – von Kilogramm bis zu potenziellen Tonnen pro Tag.

Sie können nicht nur große Mengen des Tracers herstellen, sondern sie auch individuell anpassen. „Wir können sowohl die Größe als auch die Farbe des Tracers auf jede Spezifität abstimmen“, sagte Foxe. „Der Tracer kann fein abgestimmt werden, um eine Nachahmung der Masse oder des Materials zu erstellen, das verfolgt wird. Wir können auch eine Vielzahl von Größen mit unterschiedlichen Farben verwenden, um zu visualisieren, wie sich eine Explosion auf Partikel unterschiedlicher Größe auswirkt.“

Die Tracer sind robust genug, um in rauen Umgebungen eingesetzt zu werden, um Masse zu verfolgen und das Verständnis der Wissenschaftler über das Schicksal und den Transport in der Umwelt zu verbessern. Sie können unter Bedingungen funktionieren, die für herkömmliche Tracer zu streng sind – wie in Öl- und Gasraffinerien oder geothermischen Anlagen. Mit abstimmbaren Parametern und einem benutzerfreundlichen System haben diese Tracer viele potenzielle Anwendungen für die Verfolgung des Schicksals und des Transports von Materialien in rauen Umgebungen.

Beharrlichkeit zahlt sich aus

Die Forschung hat sich von einer kleinen Anfangsinvestition der National Nuclear Security Administration (NNSA), dem Forschungs- und Entwicklungsprogramm zur nuklearen Nichtverbreitung im Verteidigungsbereich, zu mehreren verwandten Projekten entwickelt.

„Wir sind froh, dass wir dieses Projekt trotz anfänglicher Skepsis weiterverfolgen konnten“, sagte Carman. „Wir sind auch gespannt, wohin es uns als nächstes führt.“