Nanotechnology Now - Δελτίο Τύπου: Εύρεση των πιο ανθεκτικών στη θερμότητα ουσιών που έχουν κατασκευαστεί ποτέ: Η UVA Engineering εξασφαλίζει το βραβείο DOD MURI για την προώθηση υλικών υψηλής θερμοκρασίας

Αναδημοσίευση από τον Πλάτωνα

Ακολουθούν: 0

Αρχική > Τύπος > Εύρεση των πιο ανθεκτικών στη θερμότητα ουσιών που έχουν κατασκευαστεί ποτέ: Η UVA Engineering εξασφαλίζει το βραβείο DOD MURI για την προώθηση υλικών υψηλής θερμοκρασίας

Η μεταδιδακτορική ερευνήτρια Sandamal Witharamage (από αριστερά) είναι μέλος της ομάδας της καθηγήτριας Elizabeth J. Opila που αναπτύσσει νέα υλικά υψηλής θερμοκρασίας εμπνευσμένα από πλανητικά και γεωλογικά υλικά στο πλαίσιο μιας επιχορήγησης της Πολυεπιστημονικής Πανεπιστημιακής Ερευνητικής Πρωτοβουλίας του Τμήματος Άμυνας. CREDIT University of Virginia School of Engineering and Applied Science

Postdoctoral researcher Sandamal Witharamage (from left) is part of Professor Elizabeth J. Opila’s team developing novel planetary- and geologically inspired high-temperature materials under a Department of Defense Multidisciplinary University Research Initiative grant.

ΠΙΣΤΩΣΗ
University of Virginia School of Engineering and Applied Science

Περίληψη:
Τα πιο ανθεκτικά, ανθεκτικά στη θερμότητα υλικά που κατασκευάστηκαν ποτέ θα μπορούσαν να κρύβονται σε κοινή θέα.

Εύρεση των πιο ανθεκτικών στη θερμότητα ουσιών που έχουν κατασκευαστεί ποτέ: Η UVA Engineering εξασφαλίζει το βραβείο DOD MURI για την προώθηση υλικών υψηλής θερμοκρασίας

Charlottesville, VA | Δημοσιεύτηκε στις 8 Δεκεμβρίου 2023

Το Υπουργείο Άμυνας των ΗΠΑ θέλει να μάθει εάν ορυκτά και πετρώματα που βρέθηκαν στη Γη και στο διάστημα κρατούν τα μυστικά των υλικών υψηλής θερμοκρασίας επόμενης γενιάς. Για να το μάθετε, το DOD απένειμε 6.25 εκατομμύρια δολάρια μέσω της Πολυεπιστημονικής Πανεπιστημιακής Ερευνητικής Πρωτοβουλίας, ή MURI, σε μια ομάδα από το Πανεπιστήμιο της Βιρτζίνια και το Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Αριζόνα. Επικεφαλής της ομάδας είναι η Elizabeth J. Opila της UVA, η καθηγήτρια της Rolls-Royce Commonwealth και πρόεδρος του Τμήματος Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών.

Το εξαιρετικά ανταγωνιστικό MURI χρηματοδοτεί θεμελιώδη επιστημονική έρευνα που το DOD ελπίζει ότι θα οδηγήσει σε ανακαλύψεις στους τομείς ενδιαφέροντός του μέσω συλλογικών γνώσεων από πολλούς κλάδους.

Διαβάζοντας τους Βράχους
«Είναι μια εποχή άνθησης για υλικά υψηλής θερμοκρασίας λόγω των αναγκών στην παραγωγή ενέργειας, των υπερηχητικών και νέων πραγμάτων όπως η παραγωγή προσθέτων που έρχονται στο πεδίο», είπε η Opila. «[Οι άνθρωποι] εξερευνούν νέους χώρους σύνθεσης όπου αναμειγνύετε διαφορετικά στοιχεία με διαφορετικούς τρόπους. Επιπλέον, σκεφτόμαστε αυτό το γεωλογικά και πλανητικά εμπνευσμένο υλικό, το οποίο είναι πολύ διασκεδαστικό.”

Τα ορυκτά και τα πετρώματα είναι πολύπλοκα σε σύγκριση με τις ενώσεις υλικών με τις οποίες συνήθως εργάζονται οι επιστήμονες, είπε η Opila, και γι' αυτό οι δυνατότητες του έργου είναι συναρπαστικές.

«Οι γεωλόγοι είναι πραγματικά επικεντρωμένοι στο πώς σχηματίστηκε η γη και πού μπορούμε να βρούμε αυτές τις διαφορετικές ουσίες», είπε η Opila. «Θέλουμε να πάρουμε αυτή τη γνώση και να τη φέρουμε στον χώρο εφαρμογής».

Επιλέγοντας συγκεκριμένες φυσικές ιδιότητες, οι ερευνητές θα αντιγράψουν τη χρήση της σύστασης ορυκτών, της θερμοκρασίας, της πίεσης και των γρήγορων μεταβολών αυτών των δυνάμεων από τη Μητέρα Φύση, για να φτιάξουν τα συνθετικά τους υλικά. Ο στόχος είναι να επεκταθούν δραματικά και να τεκμηριωθούν για άλλους τα μέσα και τα συστατικά από τα οποία μπορούν να υποβληθούν σε επεξεργασία υλικά υψηλής θερμοκρασίας για να ξεπεράσουν οτιδήποτε έχει δημιουργηθεί ακόμη από τους ανθρώπους ή τη φύση.

Στο Κυνήγι Πυρίμαχων Υλικών
Αντιμετωπίζοντας τις ανάγκες για ολοένα καλύτερα πυρίμαχα υλικά - αυτά που αντιστέκονται στην αποδυνάμωση, την τήξη ή την αποσύνθεση κάτω από έντονη θερμότητα ή διαβρωτικές συνθήκες, το Γραφείο Ερευνών Στρατού ζήτησε προτάσεις σχετικά με τις έκτακτες πυρίμαχες συμπεριφορές στη γη και τα εξωγήινα υλικά. Μεταξύ πολλών στόχων, η ομάδα της Opila θα σχεδιάσει, θα κατασκευάσει, θα δοκιμάσει και θα περιγράψει μια σειρά από νέα υλικά που προορίζονται να ξεπεράσουν τα τρέχοντα κεραμικά, κράματα και επιστρώσεις που χρησιμοποιούνται σε έντονα θερμά περιβάλλοντα - για παράδειγμα, έναν κινητήρα τζετ 3,000 μοιρών.

Η Opila είναι πρώην επιστήμονας της NASA και καινοτόμος σε υλικά ανθεκτικά στη θερμότητα και στη διάβρωση. Οι συνεργάτες της είναι ειδικοί στη γεωλογία, την υπολογιστική μοντελοποίηση και την επιστήμη των υλικών από τη Σχολή Μηχανικών και Εφαρμοσμένων Επιστημών της UVA και τις σχολές Μηχανικής Ύλης, Μεταφορών και Ενέργειας της ASU. Μοριακές Επιστήμες; και Εξερεύνηση Γης και Διαστήματος.

Ανακάλυψη γρήγορης παρακολούθησης
Οι κύριοι ερευνητές της Opila από το UVA's Engineering είναι ο Patrick E. Hopkins, ο καθηγητής Μηχανικής της Whitney Stone στη μηχανολογία και η αεροδιαστημική μηχανική και ο βοηθός καθηγητής επιστήμης υλικών και μηχανικής Bi-Cheng Zhou.

Το ExSiTE Lab της Hopkins ειδικεύεται σε τεχνικές μέτρησης θερμικών ιδιοτήτων που βασίζονται σε λέιζερ. Το εργαστήριό του θα παίξει καθοριστικό ρόλο στον χαρακτηρισμό των υλικών που θα βρει η ομάδα.

Ο Zhou είναι ένας υπολογιστικός μοντελιστής γνωστός για την επινόηση παραλλαγών στη μέθοδο CALPHAD για να επεκτείνει τις δυνατότητές της. Αυτός και ένας άλλος ειδικός υπολογιστικής μοντελοποίησης, ο επίκουρος καθηγητής ASU στην επιστήμη και τη μηχανική υλικών Qijun Hong, θα χρησιμοποιήσουν την αντίστοιχη τεχνογνωσία τους για να επιταχύνουν την ανακάλυψη πολλά υποσχόμενων «συνταγών» για πειραματικά εργαστήρια που θα δοκιμάσουν και στα δύο σχολεία.

Τα εργαστήρια της ASU διευθύνονται από την Alexandra Navrotsky, μια διάσημη διεπιστημονική εμπειρογνώμονα στη θερμοδυναμική και διευθύντρια του Navrotsky Eyring Center for Materials of the Universe, και τον Hongwu Xu, ορυκτολόγο και χημικό υλικών και καθηγητή στις σχολές Μοριακών Επιστημών και Εξερεύνηση της Γης και του Διαστήματος της ASU .

Οι ομάδες θα φτιάξουν και θα αναλύσουν πιθανές συνταγές — συχνά ανταλλάσσοντας δείγματα για δοκιμές, είπε η Opila, με το εργαστήριό της να φέρνει υπερβολική ζέστη, ενώ τα εργαστήρια της ASU εφαρμόζουν έντονη πίεση καθώς και δοκιμές υψηλής θερμοκρασίας.

Κουπόνια αποκοπής
Η σύνθεση των δειγμάτων δοκιμής ξεκινά τυπικά με ένα στοιχείο σε μορφή σκόνης, είπε ο UVA Ph.D. Στοίβα μαθητή Pádraigín, η οποία μεταβάλλεται χημικά για την απομόνωση ενός υλικού στόχου ή ενός συστατικού ενός στόχου.

Η νέα σύνθεση, η οποία έχει αραιωθεί, θερμανθεί και στεγνώσει ξανά σε σκόνη, στη συνέχεια πυροσυσσωματώνεται, μια διαδικασία που εφαρμόζει αρκετή θερμότητα και πίεση για να σχηματιστεί ένα πυκνό σωρό υλικού. Λεπτές φέτες από το σφουγγάρι, που ονομάζονται κουπόνια, παρέχουν τα δείγματα που οι ερευνητές θα υποβληθούν σε διάφορες δοκιμές - για παράδειγμα, εκθέτοντάς τους σε ατμό με υψηλές ταχύτητες στο εργαστήριο της Opila ή, στο ASU, εφαρμόζοντας γεωλογικές πιέσεις με ένα διαμαντένιο αμόνι.

Εκτός από αυτές τις παραδοσιακές μεθόδους σύνθεσης, η ομάδα θα δοκιμάσει προσεγγίσεις εμπνευσμένες από πλανητικά ή γεωλογικά φαινόμενα, όπως η υδροθερμική σύνθεση, η οποία συμβαίνει σε θερμαινόμενο νερό σε υψηλές πιέσεις. Δεδομένου ότι το νερό είναι άφθονο στο ζεστό, υπό πίεση εσωτερικό της Γης, οι υδροθερμικές διεργασίες συνδέονται, για παράδειγμα, με το σχηματισμό ορυκτών που περιέχουν στοιχεία σπάνιων γαιών - κρίσιμα συστατικά για πολλές εφαρμογές ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.

Στο εργαστήριο, η υδροθερμική σύνθεση περιλαμβάνει το σχηματισμό κρυστάλλων σε ένα διάλυμα με βάση το ζεστό νερό σε ένα κλειστό δοχείο, έτσι ώστε τα αέρια μόρια που κινούνται πάνω στο υγρό να ασκούν υψηλή πίεση ατμών εντός του συστήματος.

Το δίλημμα των σπάνιων γαιών στοιχείων
Ένα επίκεντρο του έργου MURI είναι η χρήση στοιχείων σπάνιων γαιών. Πολλά στοιχεία σπάνιων γαιών χρησιμοποιούνται ήδη σε συμβατικά υλικά υψηλής θερμοκρασίας, όπως περιβαλλοντικές επικαλύψεις φραγμών στις αερομεταφορές και υπερηχητικές πτήσεις, καθώς και μπαταρίες, συσκευές LED και άλλα προϊόντα όλο και πιο περιζήτητα — αλλά με υψηλό κόστος. Αν και στην πραγματικότητα δεν είναι σπάνιο, ο διαχωρισμός των στοιχείων από το έδαφος και τον βράχο απαιτεί δεκάδες βήματα, τα περισσότερα από τα οποία ρυπαίνουν.

«Όλα αυτά τα οξείδια σπάνιων γαιών που θα χρησιμοποιήσουμε βρίσκονται σε ορυκτά αυτή τη στιγμή», είπε η Opila. «Κάποιος τα εξορύζει και μετά πρέπει να τα χωρίσουν όλα. Για παράδειγμα, το υττέρβιο και το λουτέτιο είναι γείτονες στον περιοδικό πίνακα. Είναι τόσο παρόμοια χημικά, που χρειάζονται 66 βήματα που περιλαμβάνουν πολλές χημικές ουσίες που καταλήγουν σε δυσάρεστα απόβλητα».

Το πρόβλημα διαχωρισμού οδήγησε την Opila να κάνει μια ερώτηση στο επίκεντρο ενός άλλου έργου που εργάζονται με τους μαθητές της και σχετίζεται με το MURI: «Τι γίνεται αν βγάλεις ένα ορυκτό από στοιχεία που θέλεις κατευθείαν από το έδαφος, αλλά δεν τα χωρίζεις, απλά καθαρίστε το λίγο και φτιάξτε το υλικό σας από αυτό;»

Πειραματίζονται με το xenotime, ένα κοινό ορυκτό, για να βελτιώσουν τις περιβαλλοντικές επικαλύψεις φραγμού ή EBC, που προστατεύουν τα μέρη του κινητήρα τζετ από κινδύνους όπως ο ατμός υψηλής ταχύτητας και η άμμος της ερήμου. Η άμμος που καταπίνεται μπορεί να λιώσει σε γυαλί και να αντιδράσει με το υποκείμενο κράμα εάν διεισδύσει στην επίστρωση.

«Γνωρίζουμε ότι ορισμένα ορυκτά είναι σταθερά επειδή μπορούμε να τα βρούμε στο έδαφος», είπε ο Stack. «Δεν βρίσκεις μεταλλικό σίδηρο στο έδαφος, βρίσκεις οξείδιο του σιδήρου γιατί το οξείδιο του σιδήρου είναι αυτό που είναι σταθερό. Ας διερευνήσουμε γιατί κάτι είναι σταθερό ή αν έχει άλλες χρήσιμες ιδιότητες και ας χρησιμοποιήσουμε αυτή τη γνώση για να κάνουμε κάτι καλύτερο».

####

Για περισσότερες πληροφορίες, πατήστε εδώ

Επαφές:
Jennifer McManamay
University of Virginia School of Engineering and Applied Science
Office: 540-241-4002

Πνευματικά δικαιώματα © University of Virginia School of Engineering and Applied Science

Εάν έχετε ένα σχόλιο, παρακαλώ Επικοινωνία και εμείς με χαρά θα σας εξυπηρετήσουμε.

Οι εκδότες δελτίων ειδήσεων, όχι η 7th Wave, Inc. ή η Nanotechnology Now, είναι αποκλειστικά υπεύθυνες για την ακρίβεια του περιεχομένου.

Bookmark: