Oro, la plata y el cobre son metales pesados, pero los científicos del LLNL ahora pueden hacerlos casi tan livianos como el aire, en una forma tan diminuta que puede montar en la espalda de un mosquito.

La ciencia pionera parte de un proyecto conjunto NIF / Ciencias Físicas y de la Vida (PLS) apoyado por el Programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio (LDRD), creó estas espumas metálicas de densidad ultrabaja para brindarles a los físicos mejores fuentes de rayos X para emplear en experimentos que apoyan la misión de administración de existencias de NIF.

La espuma es el producto de un esfuerzo de investigación de casi una década por parte de miembros de las direcciones de NIF y PLS del laboratorio para su uso en experimentos de fusión por confinamiento inercial (ICF) en NIF. el sistema láser más energético del mundo.

"Estamos analizando principalmente cuestiones científicas fundamentales que gobiernan cómo sintetizar, ensamblar y dar forma a aerogeles a base de nanocables metálicos, "dijo el científico de materiales Michael Bagge-Hansen, investigador principal del proyecto LDRD.

El material se llama espuma porque así se llamaba históricamente a este tipo de materiales, pero no es un material hecho espumando. Es una red similar a un espagueti de cables de tamaño nanométrico conectados al azar, tiene la forma de un malvavisco en miniatura y contiene el mismo o menor número de átomos que el aire.

El físico Sergei Kucheyev lo llama un "monolito de metal poroso. Están sucediendo muchas cosas aquí en términos de química y física".

Fuentes de rayos X

Los científicos buscaron diferentes metales de densidad ultrabaja que se pueden usar como objetivos para fuentes de rayos X impulsadas por láser para experimentos que prueben aún más las propiedades de varios materiales colocados en las condiciones extremas posibles cuando los 192 láseres de alta potencia de NIF se dirigen dentro de la cámara objetivo. , dijo Tyler Fears, un científico de planta de la División de Ciencia de Materiales (MSD) del LLNL.

Cada elemento emite un conjunto característico de rayos X cuando se calienta mediante láseres en plasma, Los miedos explicados. Las espumas metálicas pueden imitar el gas aunque estén hechas de materiales que no son gas a temperatura ambiente.

La física subyacente de las fuentes de rayos X impulsadas por láser, sin embargo, establece el listón alto con especificaciones rigurosas para los tipos, densidades, formas y tamaños de espumas metálicas necesarias para experimentos.

"Necesitamos que los objetivos de metales pesados ​​tengan la densidad del aire y unos pocos milímetros de tamaño dentro de dimensiones bien definidas, ", dijo." Nuestro desafío es tratar de cumplir todos esos objetivos al mismo tiempo ".

El equipo también tuvo que asegurarse de que las técnicas que desarrollaron pudieran repetirse para producir las espumas de manera consistente, incluso si el tamaño, la forma y la composición se cambian para satisfacer las necesidades experimentales futuras.

"Debe poder hacer el mismo material o un material comparable en todo momento, "Miedos dijo." Tenemos que entender cuando cambiamos algo, ¿Cómo va a cambiar eso el producto? Si cambia la densidad o si cambia la forma, tienes que saber que eso es lo único que estás cambiando ".

Kucheyev dijo que la investigación se remonta a casi una década, pero "solo en los últimos años obtuvimos espumas de esta asombrosa calidad".

Algunas versiones anteriores envejecieron en el aire antes de que pudieran ser llevadas a la cámara de destino, cuando "terminaron pareciendo malvaviscos viejos y rancios, ", dijo. Otra iteración salió de moldes que parecían distorsionados, mientras que otros se derrumbaron tan fácilmente que un miembro del equipo los llamó "ceniza de cigarrillo".

El equipo también intentó usar otros tipos de material de baja densidad para crear andamios que proporcionaran una estructura de soporte para partículas incrustadas de metales específicos. Pero los materiales del andamio crearían rayos X no deseados cuando fueran golpeados por láseres, lo que interferiría con los datos de rayos X que los científicos querían de los tipos específicos de espuma que estaban probando.

Entonces, para mantener la pureza del espectro de rayos X, el equipo tuvo que crear la estructura de alambre a partir del propio metal específico, que fue "el mayor desafío que tuvimos, "dijo el científico de materiales Fang Qian.

"La escasez de literatura previa sobre la creación de este tipo de cables en grandes cantidades hizo que tuviéramos que realizar numerosos experimentos y estudios fundamentales para comprender los mecanismos sintéticos, ", dijo." También hemos aprovechado varias herramientas de caracterización en MSD para evaluar modelos de crecimiento, estructura, superficie y química de estos materiales únicos. Eventualmente desarrollamos nuestra propia receta y protocolo únicos ".

Qian agregó que MSD "ahora puede realizar rápidamente la investigación y el desarrollo in situ de nanomateriales metálicos, como partículas y cables, y reproducir materias primas a escala de gramos utilizando procedimientos rigurosamente probados ".

Secado supercrítico

El equipo congela el nanoalambre dentro de un molde para crear formas que normalmente se llena con una mezcla de agua y glicerol. Cuando se endurece el nanoalambre parece una "malla interconectada aleatoriamente de espaguetis congelados, "Dijo Kucheyev.

Luego, el material se retira del molde y el agua congelada se extrae reemplazándola con el solvente acetona, que luego se disuelve en un proceso de secado supercrítico utilizando dióxido de carbono líquido, dejando solo el metal y el aire. El secado supercrítico asegura que el líquido se transforme en una fase gaseosa sin crear un menisco que pueda dañar la frágil estructura de espuma metálica de densidad ultrabaja.

"No tienes presiones capilares y eso también te permite mantener los poros muy pequeños sin ninguna contracción, "Dijo Miedos.

El equipo ha producido espuma de cobre y plata, y la plata se ha comportado bien en tiros NIF. El equipo puede producir espumas de oro, que todavía tienden a caerse de los soportes que los sujetan frente a los láseres de NIF. "Ese es el desafío que estamos tratando de superar ahora, "Dijo Miedos.

El proyecto conjunto LDRD financiado por PLS / NIF está diseñado para aprovechar el trabajo anterior del equipo con plata y cobre para que los científicos de materiales puedan hacer espumas metálicas de densidad ultrabaja con otros metales "para responder a las necesidades actuales y futuras, "Dijo Bagge-Hansen. El equipo ahora está trabajando tanto en estaño como en oro.

"Traducir estos éxitos a otros materiales (p. Ej., oro) planteó importantes desafíos técnicos por los que estamos navegando en el LDRD, ", dijo." Atribuyo nuestro éxito a un innovador, diverso equipo de científicos que comparten sus variados antecedentes técnicos para resolver un desafío altamente multidisciplinario ".

El esfuerzo también incluyó a Mark May, Azul Brent, Alyssa Troksa, Tom Braun, Thomas Yong-Jin Han, Ted Baumann, Daniel Malone, Corie Horwood, Chantel Aracne-Ruddle, Kelly Youngblood, Michael Stadermann y Suhas Bhandarkar.

Las espumas se desarrollaron específicamente para NIF como fuentes de rayos X. El material también podría aplicarse a otros usos, sin embargo, como proyectiles de destino o revestimientos de hohlraum. Y ahora que los científicos saben que se puede hacer el material, podría estimular ideas creativas para experimentos futuros.

"A los físicos se les ocurren ideas, pero por lo general preguntan qué puede hacer alguien y diseñarán un experimento en torno a eso, "Fears dijo." Si podemos hacer un material que nunca pensaron que podríamos hacer antes, idearán nuevos experimentos para adaptarse a esas capacidades ".