Nanotechnology Now – Pressemitteilung: Suche nach den hitzebeständigsten Substanzen, die jemals hergestellt wurden: UVA Engineering sichert sich den DOD MURI Award zur Weiterentwicklung von Hochtemperaturmaterialien

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Die Postdoktorandin Sandamal Witharamage (von links) ist Teil des Teams von Professorin Elizabeth J. Opila, das im Rahmen einer multidisziplinären Forschungsinitiative des US-Verteidigungsministeriums neuartige Hochtemperaturmaterialien entwickelt, die von Planeten und Geowissenschaften inspiriert sind. CREDIT University of Virginia School of Engineering and Applied Science

Die Postdoktorandin Sandamal Witharamage (von links) ist Teil des Teams von Professorin Elizabeth J. Opila, das im Rahmen eines Zuschusses der multidisziplinären Forschungsinitiative des US-Verteidigungsministeriums neuartige, von Planeten und geologisch inspirierte Hochtemperaturmaterialien entwickelt.

CREDIT
School of Engineering and Applied Science der Universität von Virginia

Abstract:
Die langlebigsten und hitzebeständigsten Materialien, die jemals hergestellt wurden, könnten in aller Öffentlichkeit verborgen sein.

Auf der Suche nach den hitzebeständigsten Substanzen, die jemals hergestellt wurden: UVA Engineering sichert sich den DOD MURI Award für die Weiterentwicklung von Hochtemperaturmaterialien

Charlottesville, VA | Gepostet am 8. Dezember 2023

Das US-Verteidigungsministerium möchte wissen, ob Mineralien und Gesteine auf der Erde und im Weltraum die Geheimnisse von Hochtemperaturmaterialien der nächsten Generation bergen. Um das herauszufinden, vergab das Verteidigungsministerium im Rahmen seiner Multidisciplinary University Research Initiative (MURI) 6.25 Millionen US-Dollar an ein Team der University of Virginia und der Arizona State University. Die Gruppe wird von Elizabeth J. Opila von der UVA geleitet, der Rolls-Royce Commonwealth-Professorin und Vorsitzenden der Abteilung für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik.

Das hart umkämpfte MURI finanziert grundlegende wissenschaftliche Forschung, von der das Verteidigungsministerium hofft, dass sie durch kollektive Erkenntnisse aus mehreren Disziplinen zu Durchbrüchen in seinen Interessengebieten führen wird.

Die Steine lesen
„Es ist eine Boomzeit für Hochtemperaturmaterialien aufgrund des Bedarfs an Energieerzeugung, Hyperschall und neuen Dingen wie der additiven Fertigung, die auf diesem Gebiet aufkommen“, sagte Opila. „[Die Leute] erforschen neue kompositorische Räume, in denen man verschiedene Elemente auf unterschiedliche Weise mischt. Darüber hinaus denken wir über geologisch und planetarisch inspirierte Materialien nach, was viel Spaß macht.“

Mineralien und Gesteine seien im Vergleich zu den Verbindungen, mit denen Materialwissenschaftler normalerweise arbeiten, komplex, sagte Opila, und deshalb sei das Potenzial des Projekts spannend.

„Die Geologen konzentrieren sich wirklich darauf, wie die Erde entstanden ist und wo wir diese verschiedenen Substanzen finden können“, sagte Opila. „Wir wollen dieses Wissen nutzen und in den Anwendungsbereich einbringen.“

Durch die Auswahl spezifischer physikalischer Eigenschaften werden die Forscher bei der Herstellung ihrer synthetischen Materialien die Verwendung der Mineralzusammensetzung, der Temperatur, des Drucks und der schnellen Veränderungen dieser Kräfte durch Mutter Natur nachahmen. Das Ziel besteht darin, die Mittel und Zutaten, mit denen Hochtemperaturmaterialien verarbeitet werden können, drastisch zu erweitern und für andere zu dokumentieren, um alles zu übertreffen, was Menschen oder die Natur bisher hervorgebracht haben.

Auf der Suche nach feuerfesten Materialien
Um den Bedarf an immer besseren feuerfesten Materialien zu decken – solchen, die einer Schwächung, einem Schmelzen oder einer Zersetzung unter intensiver Hitze oder korrosiven Bedingungen standhalten – forderte das Forschungsbüro der Armee Vorschläge für neu auftretende feuerfeste Verhaltensweisen in irdischen und außerirdischen Materialien. Unter anderem wird Opilas Team eine Vielzahl neuer Materialien entwerfen, herstellen, testen und beschreiben, die aktuelle Keramiken, Legierungen und Beschichtungen übertreffen sollen, die in extrem heißen Umgebungen verwendet werden – zum Beispiel bei einem 3,000 Grad heißen Strahltriebwerk.

Opila ist eine ehemalige NASA-Wissenschaftlerin und Innovatorin im Bereich hitze- und korrosionsbeständiger Materialien. Ihre Mitarbeiter sind Experten für Geologie, Computermodellierung und Materialwissenschaften von der School of Engineering and Applied Science der UVA und den Schools of Engineering of Matter, Transport and Energy der ASU; Molekularwissenschaften; und Erd- und Weltraumforschung.

Schnelle Entdeckung
Opilas Co-Hauptforscher aus dem Ingenieurwesen der UVA sind Patrick E. Hopkins, Whitney-Stone-Professor für Ingenieurwissenschaften in den Bereichen Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, und Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen Bi-Cheng Zhou.

Das ExSiTE Lab von Hopkins ist auf laserbasierte Techniken zur Messung thermischer Eigenschaften spezialisiert. Sein Labor wird maßgeblich an der Charakterisierung der Materialien beteiligt sein, die das Team entwickelt.

Zhou ist ein Computermodellierer, der dafür bekannt ist, Variationen der CALPHAD-Methode zu erfinden, um deren Fähigkeiten zu erweitern. Er und ein weiterer Spezialist für Computermodellierung, ASU-Assistenzprofessor für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen, Qijun Hong, werden ihr jeweiliges Fachwissen nutzen, um die Entdeckung vielversprechender „Rezepte“ für experimentelle Labore zu beschleunigen, die an beiden Fakultäten ausprobiert werden sollen.

Die ASU-Labore werden von Alexandra Navrotsky, einer renommierten interdisziplinären Expertin für Thermodynamik und Direktorin des Navrotsky Eyring Center for Materials of the Universe, und Hongwu Xu, einem Mineralogen und Materialchemiker und Professor an den Fakultäten für Molekularwissenschaften und Erd- und Weltraumforschung der ASU, geleitet .

Die Teams werden künftige Rezepte herstellen und analysieren – dabei werden oft Proben zum Testen ausgetauscht, sagte Opila, wobei in ihrem Labor extreme Hitze herrscht, während in den ASU-Laboren sowohl intensiver Druck als auch Hochtemperaturtests durchgeführt werden.

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Die Synthese von Testproben beginnt typischerweise mit einem Element in Pulverform, sagte UVA Ph.D. Student Pádraigín Stack, der chemisch verändert wird, um ein Zielmaterial oder eine Komponente eines Ziels zu isolieren.

Die neue Zusammensetzung, die verdünnt, erhitzt und wieder zu einem Pulver getrocknet wurde, wird dann gesintert, ein Prozess, bei dem genügend Hitze und Druck angewendet werden, um einen dichten Materialklumpen zu bilden. Dünne Scheiben aus dem Puck, sogenannte Coupons, liefern die Proben, die die Forscher verschiedenen Tests unterziehen werden – zum Beispiel indem sie ihn in Opilas Labor Dampf mit hoher Geschwindigkeit aussetzen oder an der ASU mit einem Diamantamboss geologischen Druck ausüben.

Zusätzlich zu diesen traditionellen Synthesemethoden wird das Team Ansätze ausprobieren, die von planetaren oder geologischen Phänomenen inspiriert sind, wie beispielsweise die hydrothermale Synthese, die in erhitztem Wasser bei erhöhtem Druck stattfindet. Da es im heißen, unter Druck stehenden Erdinneren reichlich Wasser gibt, sind hydrothermale Prozesse beispielsweise mit der Bildung von Mineralien verbunden, die Seltenerdelemente enthalten – wichtige Komponenten für viele Anwendungen erneuerbarer Energien.

Im Labor umfasst die hydrothermale Synthese die Bildung von Kristallen in einer heißen wasserbasierten Lösung in einem geschlossenen Gefäß, sodass gasförmige Moleküle, die sich über der Flüssigkeit bewegen, einen hohen Dampfdruck innerhalb des Systems ausüben.

Das Dilemma der Seltenerdelemente
Ein Schwerpunkt des MURI-Projekts liegt auf der Nutzung seltener Erdelemente. Viele Seltenerdelemente werden bereits in konventionellen Hochtemperaturmaterialien verwendet, etwa als Umweltbarrierebeschichtungen in der Luftfahrt und im Hyperschallflug, aber auch in Batterien, LED-Geräten und anderen immer gefragteren Produkten – allerdings zu hohen Kosten. Die Trennung der Elemente aus Boden und Gestein ist zwar nicht wirklich selten, erfordert aber Dutzende Schritte, von denen die meisten umweltschädlich sind.

„Alle diese Seltenerdoxide, die wir verwenden werden, sind derzeit in Mineralien enthalten“, sagte Opila. „Jemand baut sie ab und dann müssen sie alle getrennt werden. Ytterbium und Lutetium sind beispielsweise Nachbarn im Periodensystem. Sie sind sich chemisch so ähnlich, dass 66 Schritte erforderlich sind, an denen viele Chemikalien beteiligt sind, was zu unangenehmen Abfallprodukten führt.“

Das Trennungsproblem veranlasste Opila, eine zentrale Frage zu stellen, die im Mittelpunkt eines anderen Projekts steht, an dem sie und ihre Studenten arbeiten und das mit dem MURI zusammenhängt: „Was wäre, wenn man ein Mineral, das aus den gewünschten Elementen besteht, direkt aus dem Boden nimmt, diese aber nicht trennt? Bereinigen Sie es einfach ein wenig und machen Sie daraus Ihr Material?“

Sie experimentieren mit Xenotim, einem weit verbreiteten Mineral, um Umweltbarrierebeschichtungen (Environmental Barrier Coatings, EBCs) zu verbessern, die Teile von Strahltriebwerken vor Gefahren wie Hochgeschwindigkeitsdampf und Wüstensand schützen. Verschluckter Sand kann zu Glas schmelzen und mit der darunter liegenden Legierung reagieren, wenn er in die Beschichtung eindringt.

„Wir wissen, dass bestimmte Mineralien stabil sind, weil wir sie im Boden finden können“, sagte Stack. „Im Boden findet man kein metallisches Eisen, sondern Eisenoxid, denn Eisenoxid ist das, was stabil ist. Lassen Sie uns untersuchen, warum etwas stabil ist oder ob es andere nützliche Eigenschaften hat, und dieses Wissen nutzen, um etwas besser zu machen.“

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Für weitere Informationen - hier

Kontakte:
Jennifer McManamay
School of Engineering and Applied Science der Universität von Virginia
Büro: 540-241-4002

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