Or, l'argent et le cuivre sont des métaux lourds, mais les scientifiques du LLNL peuvent désormais les rendre presque aussi légers que l'air, sous une forme si minuscule qu'elle peut monter sur le dos d'un moustique.

La science révolutionnaire, dans le cadre d'un projet conjoint FNI/Sciences physiques et de la vie (PLS) soutenu par le programme de recherche et développement dirigés en laboratoire (LDRD), ont créé ces mousses métalliques à ultra-faible densité pour offrir aux physiciens de meilleures sources de rayons X à utiliser dans les expériences qui soutiennent la mission Stockpile Stewardship du NIF.

La mousse est le produit d'un effort de recherche de près d'une décennie par les membres des directions NIF et PLS du laboratoire pour une utilisation sur des expériences de fusion par confinement inertiel (ICF) au NIF, le système laser le plus énergétique au monde.

« Nous examinons principalement les questions de science fondamentale qui régissent la façon de synthétiser, assembler et façonner des aérogels à base de nanofils métalliques, " a déclaré le scientifique des matériaux Michael Bagge-Hansen, chercheur principal du projet LDRD.

Le matériau est appelé mousse parce que c'est historiquement le nom de ces types de matériaux, mais ce n'est pas un matériau fabriqué par moussage. C'est une toile en forme de spaghetti de fils de taille nanométrique connectés au hasard, sous la forme d'une guimauve miniature et contenant le même ou moins d'atomes que l'air.

Le physicien Sergei Kucheyev l'appelle "un monolithe métallique poreux. Il se passe beaucoup de choses ici en termes de chimie et de physique".

Sources de rayons X

Les scientifiques ont recherché différents métaux à ultra-basse densité pouvant être utilisés comme cibles pour des sources de rayons X commandées par laser pour des expériences visant à sonder davantage les propriétés de divers matériaux placés dans les conditions extrêmes possibles lorsque les 192 lasers haute puissance du NIF sont dirigés à l'intérieur de la chambre cible. , dit Tyler Fears, membre du personnel scientifique de la Division des sciences des matériaux (MSD) du LLNL.

Chaque élément émet un ensemble caractéristique de rayons X lorsqu'il est chauffé par des lasers dans un plasma, Les peurs expliquées. Les mousses métalliques peuvent imiter le gaz même si elles sont fabriquées à partir de matériaux qui ne sont pas gazeux à température ambiante.

La physique sous-jacente des sources de rayons X commandées par laser, cependant, met la barre haute avec des spécifications rigoureuses pour les types, densités, formes et tailles de mousses métalliques nécessaires pour les expériences.

"Nous avons besoin que les cibles de métaux lourds soient autour de la densité de l'air et de quelques millimètres dans des dimensions bien définies, ", a-t-il déclaré. "Notre défi est d'essayer d'atteindre tous ces objectifs en même temps."

L'équipe devait également s'assurer que les techniques développées pouvaient être répétées pour produire de manière cohérente les mousses, même si la taille, la forme et la composition sont modifiées pour répondre aux futurs besoins expérimentaux.

"Vous devez être capable de fabriquer soit le même matériau soit un matériau comparable à chaque fois, " Les peurs ont dit. "Nous devons comprendre quand nous changeons quelque chose, en quoi cela va-t-il changer le produit ? Si vous modifiez la densité ou si vous modifiez la forme, vous devez savoir que c'est la seule chose que vous changez."

Kucheyev a déclaré que la recherche remonte à près d'une décennie, mais "ce n'est qu'au cours des deux dernières années que nous avons obtenu des mousses de cette qualité incroyable."

Certaines versions précédentes ont vieilli à l'air avant de pouvoir être introduites dans la chambre cible, quand ils "ont fini par ressembler à de vieilles guimauves rassies, " dit-il. Une autre itération est sortie de moules semblant déformés, tandis que d'autres se sont effondrés si facilement qu'un membre de l'équipe les a appelés "cendres de cigarette".

L'équipe a également essayé d'utiliser d'autres types de matériaux à faible densité pour créer un échafaudage fournissant une structure de support pour les particules incrustées des métaux spécifiques. Mais les matériaux d'échafaudage créeraient des rayons X indésirables lorsqu'ils seraient touchés par des lasers, ce qui interférerait avec les données radiographiques que les scientifiques voulaient des types spécifiques de mousse qu'ils testaient.

Donc, maintenir la pureté du spectre des rayons X, l'équipe a dû créer la structure du fil à partir du métal spécifique lui-même, qui était "le plus gros défi que nous ayons eu, ", a déclaré le scientifique des matériaux Fang Qian.

« Le manque de littérature antérieure sur la création de ces types de fils en grande quantité nous a obligés à effectuer de nombreuses expériences et études fondamentales pour comprendre les mécanismes de synthèse, " a-t-elle déclaré. " Nous avons également utilisé plusieurs outils de caractérisation dans les TMS pour évaluer les modèles de croissance, structure, surface et la chimie de ces matériaux uniques. Nous avons finalement développé notre propre recette et protocole uniques."

Qian a ajouté que MSD « peut désormais effectuer rapidement la recherche et le développement sur site de nanomatériaux métalliques, tels que des particules et des fils, et reproduire les matières premières à l'échelle du gramme en utilisant des procédures rigoureusement testées."

Séchage supercritique

L'équipe congèle le nanofil à l'intérieur d'un moule de création de forme généralement rempli d'un mélange eau-glycérol. Quand il durcit, le nanofil ressemble à un "maillage de spaghettis congelés interconnectés de manière aléatoire, ", a déclaré Kucheyev.

La matière est ensuite démoulée et l'eau gelée est extraite en la remplaçant par le solvant acétone, qui est ensuite dissous dans un procédé de séchage supercritique utilisant du dioxyde de carbone liquide, ne laissant que le métal et l'air. Le séchage supercritique garantit que le liquide se transforme en phase gazeuse sans créer de ménisque qui pourrait endommager la structure fragile de la mousse métallique ultra-faible densité.

"Vous n'avez pas de pressions capillaires et cela vous permet également de maintenir les pores très petits sans aucun rétrécissement, " Les peurs ont dit.

L'équipe a produit de la mousse de cuivre et d'argent, et l'argent s'est bien comporté dans les tirs NIF. L'équipe est capable de produire des mousses d'or, qui ont encore tendance à tomber des supports qui les maintiennent devant les lasers du NIF. "C'est le défi que nous essayons de surmonter maintenant, " Les peurs ont dit.

Le projet conjoint LDRD financé par le PLS/NIF est conçu pour s'appuyer sur les travaux antérieurs de l'équipe avec l'argent et le cuivre afin que les scientifiques des matériaux puissent fabriquer des mousses métalliques ultra-basse densité avec d'autres métaux « pour répondre aux besoins actuels et futurs, " a déclaré Bagge-Hansen. L'équipe travaille maintenant sur l'étain ainsi que sur l'or.

« Traduire ces succès dans d'autres documents (par exemple, gold) a soulevé des défis techniques importants que nous traversons dans le LDRD, " a-t-il déclaré. " J'attribue notre succès à une approche innovante, équipe diversifiée de scientifiques qui partagent leurs expériences techniques variées pour résoudre un défi hautement multidisciplinaire."

L'effort comprenait également Mark May, Bleu Brent, Alyssa Troksa, Tom Braun, Thomas Yong Jin Han, Ted Baumann, Daniel Malone, Corie Horwood, Chantel Aracne-Ruddle, Kelly Youngblood, Michael Stadermann et Suhas Bhandarkar.

Les mousses ont été développées spécifiquement pour le NIF en tant que sources de rayons X. Le matériau pourrait également être appliqué à d'autres utilisations, cependant, tels que les obus cibles ou les revêtements hohlraum. Et maintenant que les scientifiques savent que le matériau peut être fabriqué, cela pourrait stimuler des idées créatives pour de futures expériences.

"Les physiciens ont des idées, mais généralement ils demanderont ce que quelqu'un peut faire, et ils concevront une expérience autour de ça, " Fears a déclaré. " Si nous pouvons fabriquer un matériau qu'ils n'ont jamais pensé que nous pourrions faire auparavant, ils proposeront de nouvelles expériences pour s'adapter à ces capacités."