Guld, silver och koppar är tungmetaller, men LLNL-forskare kan nu göra dem nästan lika lätta som luft – i en form som är så liten att den kan åka på en myggas rygg.

Den banbrytande vetenskapen, del av ett gemensamt NIF/Physical and Life Sciences (PLS)-projekt som stöds av Laboratory Directed Research and Development (LDRD)-programmet, skapat dessa metallskum med ultralåg densitet för att ge fysiker bättre röntgenkällor att använda i experiment som stödjer NIF:s Stockpile Stewardship-uppdrag.

Skummet är produkten av en nästan decennium lång forskningsinsats av medlemmar av laboratoriets NIF- och PLS-direktorat för användning på ICF-experiment vid NIF, världens mest energiska lasersystem.

"Vi tittar främst på grundläggande vetenskapsfrågor som styr hur man syntetiserar, montera och forma nanotrådsbaserade aerogeler i metall, " sa materialvetaren Michael Bagge-Hansen, LDRD-projektets huvudutredare.

Materialet kallas skum eftersom det är historiskt vad dessa typer av material hette, men det är inte ett material tillverkat av skumning. Det är en spagettiliknande väv av slumpmässigt anslutna nanometerstora ledningar, formas till formen av en miniatyrmarshmallow och innehåller samma eller färre antal atomer som luft.

Fysikern Sergei Kucheyev kallar det en "porös metallmonolit. Det händer mycket här när det gäller både kemi och fysik."

Röntgenkällor

Forskare letade efter olika metaller med ultralåg densitet som kan användas som mål för laserdrivna röntgenkällor för experiment som ytterligare undersöker egenskaperna hos olika material placerade under de extrema förhållanden som är möjliga när NIF:s 192 högeffektiva lasrar riktas in i målkammaren , sa Tyler Fears, en stabsforskare vid LLNL:s materialvetenskapsavdelning (MSD).

Varje element avger en karakteristisk uppsättning röntgenstrålar när de värms upp av laser till ett plasma, Rädslor förklarade. Metallskum kan efterlikna gas även om de är gjorda av material som inte är gas vid rumstemperatur.

Den underliggande fysiken hos laserdrivna röntgenkällor, dock, sätter ribban högt med rigorösa specifikationer för typerna, tätheter, former och storlekar av metallskum som behövs för experiment.

"Vi behöver tungmetallmål som är runt luftens densitet och några millimeter stora inom väldefinierade dimensioner, " sa han. "Vår utmaning är att försöka uppnå alla dessa mål samtidigt."

Teamet var också tvungen att se till att teknikerna de utvecklade kunde upprepas för att konsekvent producera skummet, även om storleken, form och sammansättning ändras för att möta framtida experimentella behov.

"Du måste kunna göra antingen samma material eller ett jämförbart material varje gång, " Sade rädslor. "Vi måste förstå när vi ändrar något, hur kommer det att förändra produkten? Om du ändrar densiteten eller om du ändrar formen, du måste veta att det är det enda du ändrar."

Kucheyev sa att forskningen går tillbaka nästan ett decennium, men "först under de senaste åren fick vi skum av denna fantastiska kvalitet."

Vissa tidigare versioner åldrades i luft innan de kunde föras in i målkammaren, när de "slutade med att se ut som gamla inaktuella marshmallows, " sa han. En annan iteration kom ut ur formar som såg förvrängd ut, medan andra föll isär så lätt en gruppmedlem kallade dem "cigarettaska".

Teamet försökte också använda andra typer av lågdensitetsmaterial för att skapa ställningar som gav en stödjande struktur för inbäddade partiklar av de specifika metallerna. Men ställningsmaterialen skulle skapa oönskade röntgenstrålar när de träffades av laser, vilket skulle störa de röntgendata som forskare ville ha från de specifika typerna av skum som de testade.

Så, för att bibehålla renheten i röntgenspektrumet, teamet var tvungen att skapa trådstrukturen av den specifika metallen själv, vilket var "den största utmaningen vi hade, " sa materialforskaren Fang Qian.

"Bristen på tidigare litteratur om att skapa dessa typer av trådar i stora mängder innebar att vi var tvungna att utföra många experiment och grundläggande studier för att förstå de syntetiska mekanismerna, " sa hon. "Vi har också utnyttjat flera karaktäriseringsverktyg i MSD för att utvärdera tillväxtmodeller, strukturera, yta och kemi hos dessa unika material. Så småningom utvecklade vi vårt eget unika recept och protokoll."

Qian tillade att MSD "nu snabbt kan utföra forskning och utveckling på plats av metalliska nanomaterial, såsom partiklar och trådar, och reproducera råvaror i gram-skala med noggrant testade procedurer."

Superkritisk torkning

Teamet fryser nanotråden inuti en formskapande form som vanligtvis är fylld med en vatten-glycerolblandning. När det hårdnar, nanotråden ser ut som ett "slumpmässigt sammankopplat nät av frusen spagetti, " sa Kucheyev.

Materialet avlägsnas sedan från formen och det frusna vattnet extraheras genom att ersätta det med lösningsmedlet aceton, som sedan löses i en superkritisk torkningsprocess med flytande koldioxid, lämnar bara metall och luft. Superkritisk torkning säkerställer att vätskan omvandlas till en gasfas utan att skapa en menisk som kan skada den ömtåliga metallskumstrukturen med ultralåg densitet.

"Du har inga kapillärtryck och det gör att du också kan behålla de mycket små porerna utan att krympa, " sa rädslor.

Teamet har producerat koppar- och silverskum, och silver har presterat bra i NIF-skott. Teamet kan producera guldskum, som fortfarande tenderar att ramla av fästena som håller dem framför NIF:s lasrar. "Det är utmaningen vi försöker övervinna nu, " sa rädslor.

Det gemensamma PLS/NIF-finansierade LDRD-projektet är utformat för att bygga vidare på lagets tidigare arbete med silver och koppar så att materialforskare kan tillverka metallskum med ultralåg densitet med andra metaller "för att svara på nuvarande och framtida behov, ", sa Bagge-Hansen. Teamet jobbar nu på både plåt och guld.

"Att översätta dessa framgångar till annat material (t.ex. guld) väckte betydande tekniska utmaningar som vi navigerar i LDRD, " sa han. "Jag tillskriver vår framgång till en innovativ, mångsidigt team av forskare som delar sina olika tekniska bakgrunder för att lösa en mycket multidisciplinär utmaning."

Insatsen inkluderade också Mark May, Brent Blue, Alyssa Troksa, Tom Braun, Thomas Yong-Jin Han, Ted Baumann, Daniel Malone, Corie Horwood, Chantel Aracne-Ruddle, Kelly Youngblood, Michael Stadermann och Suhas Bhandarkar.

Skummen utvecklades specifikt för NIF som röntgenkällor. Materialet kan även användas för andra ändamål, dock, såsom målskal eller hohlraumliners. Och nu när forskare vet att materialet kan tillverkas, det kan stimulera kreativa idéer för framtida experiment.

"Fysikerna kommer med idéer, men vanligtvis frågar de vad någon kan göra, och de kommer att designa ett experiment kring det, " Sade Fears. "Om vi ​​kan göra ett material som de aldrig trodde att vi skulle kunna göra tidigare, de kommer att komma med nya experiment för att passa dessa förmågor."