Розробка металевих матеріалів із щільністю повітря

Комар, що стоїть на бавовняних волокнах, несе на собі зразок аерогеля наднизької щільності з золота. Фото: Джошуа Деотте.

Золото, срібло і мідь - важкі метали, але вчені Ліверморської національної лабораторії (Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL) тепер можуть зробити їх легкими, як повітря.

Завдяки дослідженням в рамках проекту за участю фахівців Національного комплексу лазерних термоядерних реакцій (National Ignition Facility, NIF) і Лабораторії досліджень і розробок (Laboratory Directed Research and Development, LDRD), були створені металеві піни, що надають експеримикам більш досконалі рентгенівські джерела для використання в металеві піни.

Створена піна - результат майже десятирічної роботи, її можна використовувати, наприклад, в експериментах з інерціальним керованим синтезом.

«Ми в першу чергу розглядаємо фундаментальні питання, що визначають, як синтезувати, збирати і формувати аерогелі на основі металевої нанопроволки», - говорить матеріалознавець Майкл Багге-Хансен (Michael Bagge-Hansen), провідний дослідник лабораторії.

Матеріал називається піною, тому що історично так називалися подібні типи матеріалів, але він не виготовлений шляхом спінювання - це схожа на спагеті павутина випадково з'єднаних нанометрових приводів, сформованих у вигляді «зефірок» і що містять таку ж або меншу кількість атомів на одиницю обсягу, як повітря.

Фізик Сергій Кучеєв називає цей матеріал «монолітом пористого металу». Процеси, що відбуваються в матеріалі, можна розглядати як з точки зору хімії, так і фізики.

Вчені шукали різні метали наднизької щільності, щоб їх можна було використовувати як мішені для лазерних рентгенівських джерел. В експериментах вимірювалися властивості різних матеріалів, поміщених в екстремальні умови, наприклад, всередину цільової камери були спрямовані 192 потужних лазери.

Кожен елемент випускає характерний набір рентгенівських променів при нагріванні лазером і перетворенні на плазму. Металеві піни можуть імітувати газ, навіть якщо вони виготовлені з матеріалів, що не є газом при кімнатній температурі.

Однак фізика лазерних джерел рентгенівського випромінювання задає високі вимоги до типу, щільності, форми і розмірів металевих пен, необхідних для експериментів.

«Нам потрібні мішені з важких металів з щільністю, наближеною до щільності повітря, і розміром до декількох міліметрів в заданих межах, - говорить Тайлер Фірс (Tyler Fears), науковий співробітник Ліверморської національної лабораторії. - Наше завдання - спробувати відповідати всім цим умовам одночасно».

Команда також повинна була переконатися, що розроблені методи можуть бути повторені при подальшому виробництві піни, навіть якщо розмір, форма і склад будуть змінюватися відповідно до потреб майбутніх експериментів.

"Треба мати можливість щоразу створювати один і той самий або порівнянний матеріал, - говорить Фірс. - Коли ми щось змінюємо, ми повинні розуміти, як це вплине на результат. Якщо змінювати щільність або форму, ми повинні бути впевнені, що це єдине, що змінюється ".

За словами Сергія Кучеєва, дослідження триває вже майже 10 років. Але тільки в останні пару років вдалося досягти такої високої якості.

Попередні версії, які перед поміщенням у цільову камеру тримали на повітрі, виглядають як «старі черстві зефірки». Ще одна ітерація матеріалу сталася від спотворених форм, один з членів команди назвав її «сигаретним попелом».

Група пробувала використовувати інші типи матеріалів низької щільності для створення свого роду «будівельних лісів», що забезпечують несучу конструкцію для вкраплених частинок певних металів. Але матеріали цих «лісів» створювали небажане рентгенівське випромінювання при потраплянні на них лазерних променів. Це створювало перешкоди в рентгенівських даних, які вчені хотіли отримати від певних типів випробовуваної ними піни.

Таким чином, щоб зберегти чистоту рентгенівського спектру, команді довелося створити структуру дроту з самого матеріалу. За словами матеріалознавця Фан Цянь (Fang Qian), саме це стало найбільшою проблемою.

"Брак попередньої літератури зі створення подібних дротів у великих кількостях, - розповідає вона, - означало, що для розуміння синтетичних механізмів нам довелося провести безліч експериментів і фундаментальних досліджень. Ми також використовували декілька інструментів для визначення характеристик у магнетронному розпилювальному пристрої, для оцінки моделей росту, структури, поверхні та хімії цих унікальних матеріалів. У підсумку ми розробили і унікальний протокол, і рецепт ".

Цянь додала, що за допомогою магнетронного розпилювального пристрою «тепер можна швидше проводити дослідження і розробки металевих наноматеріалів, таких як частинки і дріт, і відтворювати сировину в масштабі грамів, використовуючи ретельно перевірені процедури».

Команда заморожує нанопроволоку всередині прес-форми, заповненої водно-гліцериновою сумішшю. Коли нанопроволока ствердіває, вона виглядає як «випадково об'єднана сітка із заморожених спагеті». Потім матеріал видаляється з форми, а заморожена вода витягується шляхом заміни розчинником (ацетоном), який потім видаляється в процесі надкритичної сушіння з використанням рідкого вуглекислого газу, залишаючи тільки метал і повітря. Надкритична сушка забезпечує перехід рідини в газову форму без утворення меніска металу, здатного пошкодити крихку структуру металевої піни наднизької щільності.

«Тут немає ніякого капілярного тиску, і це також дозволяє підтримувати дуже маленькі пори без саджання», - говорить Фірс.

Команда вже впевнено виробляє мідну та срібну піну. Віднедавна вчені можуть виробляти і золоті піни, які все ще мають тенденцію спадати з кріплень, що утримують їх перед лазерами. Але цю проблему дослідники намагаються зараз вирішити.