นาโนเทคโนโลยีตอนนี้ - ข่าวประชาสัมพันธ์: การค้นหาสารทนความร้อนมากที่สุดเท่าที่เคยมีมา: วิศวกรรม UVA คว้ารางวัล DOD MURI เพื่อพัฒนาวัสดุที่มีอุณหภูมิสูง

เผยแพร่ซ้ำโดยเพลโต

ผู้ติดตาม: 0

หน้าแรก > ข่าวประชา > ค้นหาสารทนความร้อนมากที่สุดเท่าที่เคยมีมา: UVA Engineering ได้รับรางวัล DOD MURI เพื่อพัฒนาวัสดุที่มีอุณหภูมิสูง

นักวิจัยหลังปริญญาเอก Sandamal Witharamage (จากซ้าย) เป็นส่วนหนึ่งของทีมของศาสตราจารย์ Elizabeth J. Opila ที่กำลังพัฒนาวัสดุอุณหภูมิสูงที่ได้รับแรงบันดาลใจจากดาวเคราะห์และธรณีวิทยาภายใต้ทุนสนับสนุนการวิจัยจากมหาวิทยาลัยสหสาขาวิชาของกระทรวงกลาโหม CREDIT คณะวิศวกรรมศาสตร์และวิทยาศาสตร์ประยุกต์มหาวิทยาลัยเวอร์จิเนีย

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.

เครดิต
คณะวิศวกรรมศาสตร์และวิทยาศาสตร์ประยุกต์มหาวิทยาลัยเวอร์จิเนีย

นามธรรม:
วัสดุทนความร้อนและทนทานที่สุดเท่าที่เคยมีมาสามารถซ่อนตัวอยู่ในที่โล่งได้

ค้นหาสารทนความร้อนมากที่สุดเท่าที่เคยมีมา: UVA Engineering ได้รับรางวัล DOD MURI เพื่อพัฒนาวัสดุที่มีอุณหภูมิสูง

ชาร์ลอตส์วิลล์ เวอร์จิเนีย | โพสต์เมื่อวันที่ 8 ธันวาคม 2023

กระทรวงกลาโหมของสหรัฐอเมริกาต้องการทราบว่าแร่ธาตุและหินที่พบบนโลกและในอวกาศเป็นความลับของวัสดุที่มีอุณหภูมิสูงรุ่นต่อไปหรือไม่ หากต้องการทราบว่า DOD ได้มอบเงินจำนวน 6.25 ล้านดอลลาร์ผ่าน Multidisciplinary University Research Initiative หรือ MURI ให้กับทีมจากมหาวิทยาลัยเวอร์จิเนียและมหาวิทยาลัยรัฐแอริโซนา กลุ่มนี้นำโดย Elizabeth J. Opila จาก UVA ศาสตราจารย์เครือจักรภพ Rolls-Royce และประธานภาควิชาวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์

MURI ที่มีการแข่งขันสูงให้ทุนสนับสนุนการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ขั้นพื้นฐานที่กระทรวงกลาโหมหวังว่าจะนำไปสู่ความก้าวหน้าในสาขาที่สนใจผ่านข้อมูลเชิงลึกที่รวบรวมจากหลากหลายสาขาวิชา

การอ่านก้อนหิน
“มันเป็นช่วงเวลาที่เฟื่องฟูสำหรับวัสดุที่มีอุณหภูมิสูง เนื่องจากความต้องการในการผลิตพลังงาน ไฮเปอร์โซนิก และสิ่งใหม่ๆ เช่น การผลิตแบบเติมเนื้อที่เกิดขึ้นในภาคสนาม” Opila กล่าว "[ผู้คนกำลัง] สำรวจพื้นที่การจัดองค์ประกอบภาพใหม่ๆ ที่คุณผสมผสานองค์ประกอบต่างๆ ในรูปแบบที่แตกต่างกัน ยิ่งไปกว่านั้น เรากำลังคิดถึงวัสดุที่ได้รับแรงบันดาลใจจากธรณีวิทยาและดาวเคราะห์ ซึ่งสนุกมาก”

แร่ธาตุและหินมีความซับซ้อนเมื่อเทียบกับวัสดุผสมที่นักวิทยาศาสตร์มักจะร่วมงานด้วย Opila กล่าว และนั่นคือสาเหตุที่ศักยภาพของโครงการนี้น่าตื่นเต้น

“นักธรณีวิทยามุ่งความสนใจไปที่วิธีที่โลกก่อตัวขึ้น และสถานที่ที่เราสามารถค้นพบสสารต่างๆ เหล่านี้ได้” โอพิลากล่าว “เราต้องการนำความรู้นั้นมาประยุกต์ใช้”

นักวิจัยจะคัดเลือกคุณสมบัติทางกายภาพที่เฉพาะเจาะจงโดยคัดลอกการใช้องค์ประกอบของแร่ธาตุ อุณหภูมิ ความดัน และการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของแรงเหล่านี้เพื่อผลิตวัสดุสังเคราะห์ เป้าหมายคือการขยายอย่างรวดเร็วและจัดทำเอกสารให้ผู้อื่นทราบถึงวิธีการและส่วนผสมในการแปรรูปวัสดุที่มีอุณหภูมิสูงเพื่อให้เหนือกว่าสิ่งใดๆ ที่มนุษย์หรือธรรมชาติสร้างขึ้นมา

ตามล่าหาวัสดุทนไฟ
สำนักงานวิจัยกองทัพบกเรียกร้องให้มีข้อเสนอเกี่ยวกับพฤติกรรมการทนไฟที่เกิดขึ้นใหม่ในโลกและวัสดุนอกโลก เพื่อตอบสนองต่อความต้องการวัสดุทนไฟที่ดียิ่งขึ้น ซึ่งทนทานต่อการอ่อนตัว ละลาย หรือสลายตัวภายใต้สภาวะความร้อนสูงหรือสภาวะที่มีฤทธิ์กัดกร่อน ท่ามกลางวัตถุประสงค์หลายประการ ทีมงานของ Opila จะออกแบบ สร้าง ทดสอบ และอธิบายวัสดุใหม่ๆ ที่มีประสิทธิภาพเหนือกว่าเซรามิก โลหะผสม และการเคลือบที่ใช้ในสภาพแวดล้อมที่ร้อนจัด เช่น เครื่องยนต์ไอพ่น 3,000 องศา

Opila เป็นอดีตนักวิทยาศาสตร์ของ NASA และผู้ริเริ่มในด้านวัสดุทนความร้อนและการกัดกร่อน ผู้ร่วมมือของเธอเป็นผู้เชี่ยวชาญด้านธรณีวิทยา การสร้างแบบจำลองเชิงคำนวณ และวัสดุศาสตร์จากคณะวิศวกรรมศาสตร์และวิทยาศาสตร์ประยุกต์ของ UVA และคณะวิศวกรรมศาสตร์ด้านสสาร การขนส่ง และพลังงานของ ASU อณูวิทยาศาสตร์; และการสำรวจโลกและอวกาศ

การค้นพบที่ติดตามอย่างรวดเร็ว
ผู้ร่วมวิจัยหลักของ Opila จากฝ่ายวิศวกรรมของ UVA ได้แก่ Patrick E. Hopkins ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลและการบินและอวกาศของ Whitney Stone และผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวัสดุศาสตร์และวิศวกรรม Bi-Cheng Zhou

ExSiTE Lab ของ Hopkins เชี่ยวชาญเทคนิคที่ใช้เลเซอร์ในการวัดคุณสมบัติทางความร้อน ห้องทดลองของเขาจะมีบทบาทสำคัญในการกำหนดลักษณะของวัสดุที่ทีมคิดขึ้นมา

Zhou เป็นนักสร้างแบบจำลองเชิงคำนวณที่รู้จักในการประดิษฐ์รูปแบบต่างๆ ของวิธี CALPHAD เพื่อขยายขีดความสามารถ เขาและผู้เชี่ยวชาญด้านการสร้างแบบจำลองการคำนวณอีกคนหนึ่ง ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวัสดุศาสตร์และวิศวกรรม Qijun Hong ของ ASU จะใช้ความเชี่ยวชาญของตนในการค้นหา "สูตรอาหาร" ที่มีแนวโน้มอย่างรวดเร็วสำหรับห้องปฏิบัติการทดลองที่จะลองใช้ที่ทั้งสองโรงเรียน

ห้องปฏิบัติการ ASU ดำเนินการโดย Alexandra Navrotsky ผู้เชี่ยวชาญด้านสหวิทยาการที่มีชื่อเสียงด้านอุณหพลศาสตร์และผู้อำนวยการ Navrotsky Eyring Center for Materials of the Universe และ Hongwu Xu นักแร่วิทยาและนักเคมีวัสดุและศาสตราจารย์ในโรงเรียนวิทยาศาสตร์โมเลกุลและการสำรวจโลกและอวกาศของ ASU .

ทีมงานจะสร้างและวิเคราะห์สูตรอาหารที่คาดหวัง ซึ่งมักจะแลกเปลี่ยนตัวอย่างเพื่อการทดสอบ Opila กล่าว โดยห้องทดลองของเธอทำให้เกิดความร้อนสูง ในขณะที่ห้องปฏิบัติการ ASU ใช้แรงกดดันที่รุนแรงและการทดสอบที่อุณหภูมิสูง

คลิปหนีบคูปอง
โดยทั่วไปการสังเคราะห์ตัวอย่างทดสอบจะเริ่มต้นด้วยองค์ประกอบที่อยู่ในรูปแบบผง กล่าวโดยปริญญาเอก UVA Student Pádraigín Stack ซึ่งถูกดัดแปลงทางเคมีเพื่อแยกวัสดุเป้าหมายหรือส่วนประกอบของเป้าหมาย

ส่วนประกอบใหม่ซึ่งเจือจาง ให้ความร้อน และทำให้แห้งเป็นผง จากนั้นจึงนำไปเผา ซึ่งเป็นกระบวนการที่ใช้ความร้อนและความดันเพียงพอเพื่อสร้างก้อนวัสดุที่มีความหนาแน่นสูง ชิ้นบางๆ จากเด็กซน เรียกว่าคูปอง ช่วยให้นักวิจัยได้รับการทดสอบต่างๆ เช่น ปล่อยให้มันโดนไอน้ำที่ความเร็วสูงในห้องทดลองของ Opila หรือที่ ASU โดยใช้แรงกดคล้ายทางธรณีวิทยาด้วยทั่งเพชร

นอกเหนือจากวิธีการสังเคราะห์แบบดั้งเดิมเหล่านี้ ทีมงานจะลองใช้แนวทางที่ได้รับแรงบันดาลใจจากปรากฏการณ์ของดาวเคราะห์หรือทางธรณีวิทยา เช่น การสังเคราะห์ความร้อนใต้พิภพ ซึ่งเกิดขึ้นในน้ำร้อนที่ความดันสูง เนื่องจากมีน้ำอยู่มากในบริเวณที่ร้อนและมีแรงดันภายในของโลก กระบวนการความร้อนใต้พิภพจึงมีความเกี่ยวข้อง เช่น การก่อตัวของแร่ธาตุที่มีธาตุหายาก ซึ่งเป็นส่วนประกอบที่สำคัญสำหรับการใช้พลังงานหมุนเวียนหลายประเภท

ในห้องปฏิบัติการ การสังเคราะห์ไฮโดรเทอร์มอลเกี่ยวข้องกับการสร้างผลึกในสารละลายที่ใช้น้ำร้อนในภาชนะปิด เพื่อให้โมเลกุลของก๊าซที่เคลื่อนที่บนของเหลวทำให้เกิดความดันไอสูงภายในระบบ

ภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกของธาตุหายาก
จุดสนใจประการหนึ่งของโครงการ MURI คือการใช้ธาตุหายาก ธาตุหายากหลายชนิดได้ถูกนำมาใช้แล้วในวัสดุที่มีอุณหภูมิสูงทั่วไป เช่น สารเคลือบป้องกันสิ่งแวดล้อมในการบินและการบินที่มีความเร็วเหนือเสียง ตลอดจนแบตเตอรี่ อุปกรณ์ LED และผลิตภัณฑ์อื่น ๆ ที่เป็นที่ต้องการมากขึ้น แต่มีต้นทุนที่สูงชัน แม้ว่าจะไม่ใช่เรื่องหายากจริงๆ แต่การแยกธาตุออกจากดินและหินนั้นต้องใช้ขั้นตอนหลายสิบขั้นตอน ซึ่งส่วนใหญ่ก่อให้เกิดมลพิษ

“ออกไซด์ของธาตุหายากทั้งหมดนี้ที่เราจะใช้อยู่ในแร่ธาตุในขณะนี้” Opila กล่าว “มีคนทำเหมืองพวกมัน จากนั้นพวกเขาก็ต้องแยกพวกมันทั้งหมดออกจากกัน ตัวอย่างเช่น อิตเทอร์เบียมและลูเทเซียมเป็นเพื่อนบ้านในตารางธาตุ พวกมันมีความคล้ายคลึงกันทางเคมี โดยต้องใช้ 66 ขั้นตอนที่เกี่ยวข้องกับสารเคมีหลายชนิดซึ่งส่งผลให้เกิดของเสียที่น่ารังเกียจ”

ปัญหาการแยกจากกันทำให้ Opila ถามคำถามที่เป็นหัวใจของโปรเจ็กต์อื่นที่เธอและนักเรียนกำลังทำอยู่ซึ่งเกี่ยวข้องกับ MURI: “จะเกิดอะไรขึ้นถ้าคุณนำแร่ที่ทำจากองค์ประกอบที่คุณต้องการโดยตรงจากพื้นดินแต่ไม่แยกพวกมันออกจากกัน แค่ทำความสะอาดนิดหน่อยแล้วสร้างวัตถุดิบของคุณจากสิ่งนั้นล่ะ?”

พวกเขากำลังทดลองกับซีโนไทม์ ซึ่งเป็นแร่ธาตุทั่วไป เพื่อปรับปรุงการเคลือบกั้นสิ่งแวดล้อมหรือ EBC ซึ่งช่วยปกป้องชิ้นส่วนเครื่องยนต์ไอพ่นจากอันตราย เช่น ไอน้ำความเร็วสูงและทรายในทะเลทราย ทรายที่กลืนเข้าไปสามารถละลายลงในแก้วและทำปฏิกิริยากับโลหะผสมที่อยู่ด้านล่างได้หากแทรกซึมเข้าไปในสารเคลือบ

“เรารู้ว่าแร่ธาตุบางชนิดมีความเสถียรเพราะเราสามารถพบพวกมันได้ในพื้นดิน” Stack กล่าว “คุณไม่พบเหล็กโลหะในพื้นดิน แต่คุณพบเหล็กออกไซด์เพราะเหล็กออกไซด์เป็นสิ่งที่เสถียร เรามาสำรวจว่าทำไมบางสิ่งถึงมีเสถียรภาพ หรือว่ามันมีคุณสมบัติที่เป็นประโยชน์อื่นๆ หรือไม่ และใช้ความรู้นั้นเพื่อสร้างบางสิ่งที่ดีขึ้น”

####

สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมกรุณาคลิก โปรดคลิกที่นี่เพื่ออ่านรายละเอียดเพิ่มเติม

ติดต่อ:
เจนนิเฟอร์ แมคมานาเมย์
คณะวิศวกรรมศาสตร์และวิทยาศาสตร์ประยุกต์มหาวิทยาลัยเวอร์จิเนีย
สำนักงาน: 540-241 4002-

ลิขสิทธิ์© คณะวิศวกรรมศาสตร์และวิทยาศาสตร์ประยุกต์มหาวิทยาลัยเวอร์จิเนีย

หากคุณมีความคิดเห็นโปรด ติดต่อ เรา

ผู้ออกข่าวประชาสัมพันธ์ไม่ใช่ 7th Wave, Inc. หรือ Nanotechnology Now มีหน้าที่รับผิดชอบต่อความถูกต้องของเนื้อหา แต่เพียงผู้เดียว

บุ๊คมาร์ค: