Nanotechnology Now - プレスリリース: これまでに作られた中で最も耐熱性の高い物質の発見: UVA Engineering が高温材料の進歩で国防総省 MURI 賞を獲得

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博士研究員のサンダマル・ウィザラマゲ氏（左から）は、国防総省多分野大学研究イニシアチブの助成金を受けて、惑星および地質学的にインスピレーションを得た新しい高温材料を開発しているエリザベス・J・オピラ教授のチームの一員である。

CREDIT
バージニア大学工学応用科学部

要約：
これまでに作られた中で最も耐久性と耐熱性に優れた素材が、目に見えないところに隠れている可能性があります。

これまでに作られた中で最も耐熱性の高い物質を見つける: UVA Engineering が高温材料の進歩で国防総省 MURI 賞を獲得

バージニア州シャーロッツビル |投稿日: 8 年 2023 月 XNUMX 日

米国国防総省は、地球上と宇宙で見つかった鉱物や岩石に次世代の高温材料の秘密が隠されているかどうかを知りたいと考えています。これを調査するために、国防総省は学際的大学研究イニシアチブ（MURI）を通じてバージニア大学とアリゾナ州立大学のチームに6.25万ドルを助成した。このグループは、ロールスロイス連邦教授であり材料科学工学部の学部長である UVA のエリザベス J. オピラ氏が率いています。

競争力の高い MURI は基礎科学研究に資金を提供しており、国防総省は複数の分野からの集合的な洞察を通じて関心分野のブレークスルーにつながることを期待している。

岩を読む
「エネルギー生産、極超音速、積層造形などの新しい分野でのニーズにより、今は高温材料のブームの時期です」とオピラ氏は述べた。「（人々は）さまざまな要素をさまざまな方法で混ぜ合わせた、新しい構成空間を模索しています。それに加えて、私たちはこの地質学的および惑星からインスピレーションを得た材料について考えていますが、それはとても楽しいことです。」

鉱物や岩石は、材料科学者が通常研究する化合物と比べて複雑であり、それがこのプロジェクトの可能性が刺激的な理由である、とオピラ氏は述べた。

「地質学者たちは、地球がどのように形成されたのか、そしてこれらのさまざまな物質がどこで見つかるのかに非常に焦点を当てています」とオピラ氏は言う。「私たちはその知識を応用分野に取り入れたいと考えています。」

研究者らは、特定の物理的特性を選択して、母なる自然が使用する鉱物組成、温度、圧力、およびこれらの力の急速な変化を模倣して、合成材料を作成します。目標は、人や自然がこれまで生み出したものを超える高温材料を処理できる手段と材料を劇的に拡張し、他の人のために文書化することです。

耐火物を求めて
より優れた耐火材料、つまり高熱や腐食条件下での弱化、溶融、分解に耐える材料のニーズに応えるため、陸軍研究室は地球および地球外材料における緊急耐火挙動に関する提案を求めました。いくつかの目標の中で、オピラのチームは、たとえば 3,000 度のジェットエンジンなど、非常に高温な環境で使用される現在のセラミック、合金、コーティングを上回る性能を備えた多数の新材料を設計、製造、テスト、説明する予定です。

オピラは元 NASA の科学者であり、耐熱性と耐腐食性の材料の革新者です。彼女の共同研究者は、UVA の工学応用科学部と ASU の物質・輸送・エネルギー工学部の地質学、計算モデリング、材料科学の専門家です。分子科学;そして地球と宇宙の探査。

迅速な発見
オピラの UVA 工学部の共同主任研究者は、機械工学および航空宇宙工学のホイットニーストーン工学教授であるパトリック E. ホプキンスと、材料科学および工学の助教授 Bi-Cheng Zhou です。

ホプキンスの ExSiTE Lab は、熱特性を測定するためのレーザーベースの技術を専門としています。彼の研究室は、チームが思いついた材料の特徴を明らかにするのに役立ちます。

Zhou は、CALPHAD メソッドの機能を拡張するためのバリエーションを発明したことで知られる計算モデラーです。彼ともう一人の計算モデリングの専門家である ASU 材料科学工学助教授 Qijun Hon 氏は、それぞれの専門知識を活用して、両校の実験室で試行できる有望な「レシピ」の発見を迅速に進めます。

ASUの研究室は、熱力学の著名な学際的専門家であり、ナブロツキー・アイリング宇宙材料センター所長であるアレクサンドラ・ナブロツキーと、鉱物学者、材料化学者であり、ASUの分子科学および地球宇宙探査学部の教授であるHongwu Xuによって運営されている。。

オピラ氏によると、チームは将来のレシピを作成して分析することになるが、頻繁にテスト用のサンプルを交換することになるが、彼女の研究室は極度の熱を持ち込む一方、ASUの研究室は高温試験だけでなく激しい圧力も加えるという。

クリッピングクーポン
試験サンプルの合成は通常、粉末状の元素から始まります、と UVA 博士は述べています。学生のパドレイギン・スタック。化学的に変化させてターゲット物質またはターゲットの構成要素を分離します。

希釈、加熱、乾燥して粉末に戻した新しい組成物は、十分な熱と圧力を加えて材料の高密度パックを形成するプロセスとして焼結されます。クーポンと呼ばれるパックからの薄いスライスは、研究者がさまざまなテストを受けるサンプルとなる。たとえば、オピラの研究室ではサンプルを高速の蒸気にさらしたり、ASU ではダイヤモンドのアンビルで地質学的な圧力を加えたりする。

これらの伝統的な合成方法に加えて、研究チームは、高圧の加熱された水中で起こる水熱合成など、惑星または地質学的現象にヒントを得たアプローチを試みる予定です。地球の高温で加圧された内部には水が豊富にあるため、熱水プロセスは、たとえば、多くの再生可能エネルギー用途にとって重要な成分である希土類元素を含む鉱物の形成に関連しています。

実験室における水熱合成では、密閉容器内の熱水ベースの溶液中で結晶を形成し、液体の上を移動する気体分子が系内で高い蒸気圧を発揮します。

希土類元素のジレンマ
MURI プロジェクトの焦点の XNUMX つは、レアアース元素の利用です。多くの希土類元素は、航空機や極超音速飛行における耐環境コーティング、電池、LED デバイス、その他の需要の高まっている製品などの従来の高温材料にすでに使用されていますが、そのコストは高額です。実際には珍しいことではありませんが、土壌や岩石から元素を分離するには数十の手順が必要であり、そのほとんどが汚染を引き起こします。

「私たちが使用しようとしているレアアース酸化物はすべて、現時点では鉱物の中に含まれています」とオピラ氏は語った。「誰かがそれらを採掘すると、それらをすべて分離する必要があります。たとえば、イッテルビウムとルテチウムは周期表上で隣り合っています。これらは化学的に非常に似ているため、多くの化学物質を含む66のステップが必要となり、その結果、厄介な老廃物が生成されます。」

分離の問題をきっかけに、オピラさんは、学生たちと取り組んでいる MURI に関連する別のプロジェクトの中心となる質問をするようになりました。それを少しきれいにして、そこから素材を作るだけですか？」

彼らは、高速蒸気や砂漠の砂などの危険からジェットエンジン部品を保護する環境バリアコーティング (EBC) を改善するために、一般的な鉱物であるゼノタイムを実験しています。飲み込んだ砂がコーティングに浸透すると、ガラスに溶けて下地の合金と反応する可能性があります。

「特定の鉱物は地中で見つかるため、安定していることがわかっています」とスタック氏は言う。「地中には金属鉄は見つかりません。酸化鉄が安定しているため、酸化鉄が見つかります。なぜ何かが安定しているのか、あるいは他の有用な特性があるのかを探って、その知識を使って何かをより良いものにしましょう。」

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コンタクト：
ジェニファー・マクマメイ
バージニア大学工学応用科学部
オフィス：540-241-4002

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