Недорогое, экологически чистое защитное покрытие из нанокомпозита, превосходящее традиционные материалы, разработано Национальной лабораторией Sandia в в Альбукерке (штат Нью-Мексико, США). Об этом сообщает портал Eurekalert. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Необычайный недорогой материал, достаточно легкий, чтобы защитить спутники от космического мусора, достаточно прочный, чтобы укрепить стенки герметичных сосудов, находящихся в обычных земных условиях, и при этом достаточно термостойкий при температуре до 1500 градусов по Цельсию – для защиты инструментов от летящих обломков, создан в Национальной лаборатории Sandia.
Интересно, что в своей основе он представляет собой сахар – очень тонкие слои кондитерского сахара, сожженные до состояния сажи, и сплавленные с вкраплениями лишь чуть более толстых слоев кремнезема, который является наиболее распространенным материалом на Земле. Результат напоминает тонкий слоеный пирог, а точнее – органические и неорганические слои морской раковины, где каждый слой помогает следующему сдерживать и смягчать неблагоприятные внешние воздействия.
«Материал, способный выдерживать различные воздействия – механические, ударные и рентгеновские – можно использовать, чтобы противостоять суровым условиям окружающей среды. Ранее такой материал был недоступен, но наш слоистый нанокомпозит, имитирующий структуру морской раковины, является подобным решением», – сказал исследователь Sandia Гуанпин Сюй, руководивший разработкой нового покрытия.
Наиболее важно, отметил Сюй, что самособирающееся покрытие не только легкое и механически прочное, но и достаточно термически стабильное, чтобы защитить инструменты, например, в экспериментальных термоядерных установках, где температура может достигать 1500°C.
Рик Спилман, старший научный сотрудник и профессор физики Лаборатории лазерной энергетики Рочестерского университета, руководивший первоначальным проектом Sandia, предполагает, что возможное применение нового покрытия задерживает, а не блокирует эмиссию электронов с поверхности.
Покрытие, которое можно наносить на различные подложки без каких-либо проблем с окружающей средой, было предметом патентной заявки Sandia в июне 2021 года. Эта тема снова была развита в недавней научной публикации в RS Advances.
В этой статье раскрывалась работа, которая была проделана в расчете на усиление экранирования, которое потребуется для защиты объектов внутри более мощных импульсных машин будущего. Существующее устройство Sandia – в настоящее время самый мощный производитель рентгеновских лучей на Земле, а его преемники, безусловно, потребуют еще большей защиты.
Один из авторов статьи, физик Sandia Чад Маккой пояснил: «Когда мы пытаемся понять, как материя – например, металлы и полимеры – взаимодействуют с рентгеновскими лучами, мы хотим знать, повреждают ли мусор и обломки наши образцы, изменяется ли их микроструктура. Сейчас мы достигли предела в способности защитить материалы образцов от нежелательных воздействий, в более мощных устройствах эта новая технология может обеспечить соответствующую защиту».
Другие, менее специализированные виды использования нового покрытия Sandia также остаются возможными. «Спутники в космосе постоянно сталкиваются с обломками, движущимися со скоростью несколько километров в секунду. Благодаря этому покрытию мы можем сделать защитный экран тоньше, уменьшив его вес», – сказал в этой связи Маккой.
По словам Гуанпин Сюя, стоимость материала для изготовления покрытия диаметром 5 см из нового защитного материала толщиной в 45 миллионных долей метра составляет всего 25 центов. Для сравнения, бериллиевая пластина – наиболее точно соответствующая по тепловым и механическим свойствам новому покрытию – стоит около 1400 долларов за 5-сантиметровый квадрат 23-микронной толщины, что в целом в 3800 раз дороже нового нанокомпозита такой же площади и толщины.
Оба этих покрытия могут выдерживать температуры значительно выше 1000°C, но еще один аспект заключается в том, что новое покрытие является экологически безопасным. Для облегчения процесса покрытия добавляется только этанол. Бериллий, напротив, создает весьма токсичные условия, требующие дополнительной очистки при его применении.
Принцип чередования органических и неорганических слоев, основной фактор долговечности ракушек, стал ключом к прочности покрытия Sandia. Слои органического сахара, сожженные до сажи, действуют как герметик, говорит менеджер Sandia и еще один автор статьи Хонгью Фань. Они также предотвращают распространение трещин в структуре неорганического кремнезема и обеспечивают слои амортизации для повышения ее механической прочности.
Покрытия, похожие на морские раковины, первоначально испытанные в Sandia, имели от нескольких до 13 слоев. Эти чередующиеся материалы прижимались друг к другу после нагревания попарно, так что их поверхности сшивались. Испытания показали, что такие переплетенные нанокомпозитные слои на 80% прочнее, чем сам кремнезем, и термически стабильны примерно до 1650°C.
Более поздние усилия по спеканию показали, что слои, самоорганизующиеся посредством вращения процесс нанесения покрытия, могут подвергаться периодическому обжигу, а их отдельные поверхности по-прежнему удовлетворительно сшиваются, устраняя сложный обжиг каждого слоя. Более эффективный процесс достиг почти таких же показателей механической прочности.