"Det mest intressanta med dessa material är att de fungerar vid temperaturer över 500 grader Celsius, ” säger MIT doktorand Jessica Swallow, på bilden med utrustningen som används för att testa de nya materialen.
Att utföra underhållsuppgifter inne i ett kärnkraftverk sätter stora påfrestningar på utrustningen, på grund av extrema temperaturer som är svåra för komponenter att uthärda utan att försämras. Nu, forskare vid MIT och på andra håll har kommit på ett radikalt nytt sätt att tillverka ställdon som skulle kunna användas i så extremt heta miljöer.
Systemet bygger på oxidmaterial som liknar de som används i många av dagens uppladdningsbara batterier, genom att joner rör sig in och ut ur materialet under laddnings- och urladdningscykler. Om jonerna är litiumjoner, när det gäller litiumjonbatterier, eller syrejoner, när det gäller oxidmaterial, deras reversibla rörelse får materialet att expandera och dra ihop sig.
Sådan expansion och sammandragning kan vara ett stort problem som påverkar livslängden för ett batteri eller en bränslecell, eftersom de upprepade förändringarna i volym kan orsaka sprickor, kan leda till kortslutning eller försämrad prestanda. Men för högtemperaturställdon, dessa volymförändringar är ett önskat resultat snarare än en ovälkommen bieffekt.
Fynden beskrivs i en rapport som publiceras denna vecka i tidskriften Naturmaterial , av Jessica Swallow, en MIT-student; Krystyn Van Vliet, Michael (1949) och Sonja Koerner professor i materialvetenskap och teknik; Harry Tuller, professor i materialvetenskap och teknik; och fem andra.
"Det mest intressanta med dessa material är att de fungerar vid temperaturer över 500 grader Celsius, " Swallow förklarar. Det tyder på att deras förutsägbara böjningsrörelser skulle kunna utnyttjas, till exempel, för underhållsrobotik inuti en kärnreaktor, eller manöverdon inuti jetmotorer eller rymdfarkoster.
Genom att koppla dessa oxidmaterial med andra material vars dimensioner förblir konstanta, det är möjligt att tillverka ställdon som böjer sig när oxiden expanderar eller drar ihop sig. Denna åtgärd liknar hur bimetallremsor fungerar i termostater, där uppvärmning får en metall att expandera mer än en annan som är bunden till den, leder den bundna remsan att böjas. För dessa tester, forskarna använde en förening kallad PCO, för praseodymdopad ceriumoxid.
Konventionella material som används för att skapa rörelse genom att applicera elektricitet, såsom piezoelektriska enheter, fungerar inte alls lika bra vid så höga temperaturer, så det nya systemet kan öppna upp ett nytt område med högtemperatursensorer och ställdon. Sådana anordningar kan användas, till exempel, att öppna och stänga ventiler i dessa heta miljöer, säger forskarna.
Detta diagram illustrerar hur tunnfilmsmaterialet böjer sig från sitt normala platta tillstånd (mitten) när syre tas upp av dess struktur (höger) eller frigörs (vänster). Detta beteende gör att filmens form kan fjärrstyras genom att ändra dess elektriska laddning. Kredit:Massachusetts Institute of Technology
Van Vliet säger att fyndet möjliggjordes som ett resultat av en högupplöst, sondbaserat mekaniskt mätsystem för höga temperaturer som hon och hennes medarbetare har utvecklat genom åren. Systemet ger "precisionsmätningar av materialrörelse som här relaterar direkt till syrenivåer, " hon säger, gör det möjligt för forskare att mäta exakt hur syret cirkulerar in och ut ur metalloxiden.
För att göra dessa mätningar, forskare börjar med att avsätta ett tunt lager av metalloxid på ett substrat, använd sedan detektionssystemet, som kan mäta små förskjutningar på en skala av nanometer, eller miljarddels meter. "Dessa material är speciella, " hon säger, "eftersom de 'andas' syre in och ut, och ändra volym, och det får substratet att böjas."
Medan de demonstrerade processen med en speciell oxidförening, forskarna säger att fynden kan gälla brett för en mängd olika oxidmaterial, och även till andra sorters joner förutom syre, rör sig in och ut ur oxidskiktet.
Dessa fynd "är mycket betydelsefulla, eftersom de demonstrerar och förklarar den kemiska expansionen av tunna filmer vid höga temperaturer, säger Holger Fritze, en professor vid
Clausthal University of Technology i Tyskland, som inte var involverad i detta arbete. "Sådana system visar stor påkänning i jämförelse med andra högtemperaturstabila material, vilket möjliggör nya applikationer inklusive högtemperaturställdon, " han säger.
"Det tillvägagångssätt som används här är mycket nytt, " säger Brian Sheldon, professor i teknik vid Brown University, som inte heller var involverad i denna forskning. "Som författarna har påpekat, denna metod kan ge information som skiljer sig från den som erhålls med andra metoder som används för att undersöka kemisk expansion."
Detta arbete har två viktiga egenskaper, Sheldon säger:Det ger viktig grundläggande information om den kemiska expansionen av sådana material, och det öppnar möjligheten för nya typer av högtemperaturställdon. "Jag tror att båda är mycket viktiga prestationer, " han säger.
Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
