納米粒子為研制超耐熱合金材料帶來(lái)希望

       美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正通過(guò)推進(jìn)超耐熱合金材料制造相關(guān)科學(xué)的發(fā)展來(lái)引領(lǐng)未來(lái)超耐熱合金材料技術(shù)。作為桑迪亞納米級(jí)研究的一部分，一群無(wú)機(jī)合成和特性、模擬及輻射科學(xué)專(zhuān)家設(shè)計(jì)出一個(gè)實(shí)驗(yàn)用輻射系統(tǒng)，以研究金屬和合金納米粒子制造科學(xué)。

　　此研究項(xiàng)目領(lǐng)頭人提納.尼洛弗稱，該研究涉及非常廣泛。研究小組正研制的輕型抗腐蝕材料可用于制造武器外套、氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、衛(wèi)星、飛機(jī)和電力設(shè)備。尼洛弗說(shuō)，“我們現(xiàn)在正在做的是，采取一種全新的方法制造超耐熱合金材料。我們正使用輻射來(lái)破壞物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，制造納米粒子。這是一種非常靈活和常用的制造大量超耐熱合金納米粒子成分的方法，納米粒子很難通過(guò)其它方法制造。”

　　高中科學(xué)課將取消有關(guān)材料和化學(xué)科學(xué)將合金定義為兩種或者更多種元素，其中至少一種是金屬的化合物的章節(jié)。這些化合材料具有與其構(gòu)成成分不同的金屬特性(有時(shí)候具有完全不同的特性)。比如鋼比其原始成分鐵強(qiáng)硬更高。超耐熱合金，正如其名字所暗示的，是完全不同于通常的合金，宛如超人完全有別于我們其它普通人一樣。這些超耐熱合金異常堅(jiān)固和輕質(zhì)，能夠抵擋破壞像鋼和鋁一樣的常見(jiàn)金屬的極端環(huán)境因素。

　　桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究員詹森.瓊斯說(shuō)，“這些高性能超耐熱合金具有極強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度，他們能夠抗腐蝕、氧化和高溫變型。”過(guò)去，超耐熱合金材料開(kāi)發(fā)依賴于化學(xué)和技術(shù)創(chuàng)新，對(duì)超耐熱合金需求甚高的航天和電力行業(yè)是創(chuàng)新的主要?jiǎng)恿Α?

　　尼洛弗說(shuō)，“我們正在研究的輻射方法(輻解)提出了一個(gè)通過(guò)納米粒子合成方式制造合金和超耐熱合金的全新研究領(lǐng)域。此處理過(guò)程成為研究納米粒子構(gòu)成的通用方法。通過(guò)提升我們對(duì)納米粒子構(gòu)成基礎(chǔ)材料科學(xué)的了解，我們能夠把我們的研究擴(kuò)大至超耐熱合金的其它領(lǐng)域，如鎳合金。”

　　尼洛弗稱，研究小組正致力于“新亞穩(wěn)定階段空間”科學(xué)研究，傳統(tǒng)合金生產(chǎn)方法很難達(dá)到亞穩(wěn)定階段空間，比如熔化。這些“階段空間”可是一個(gè)途徑或者軌道點(diǎn)，代表著一段時(shí)期內(nèi)粒子的運(yùn)動(dòng)。那個(gè)粒子系統(tǒng)的每個(gè)潛狀態(tài)都與一個(gè)階段空間內(nèi)的唯一一個(gè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。了解這些空間對(duì)于確定合金制造和形成方式非常重要。

　　在研究小組實(shí)驗(yàn)中，研究人員將溶解分子與分子或者離子結(jié)合，溶于水中，然后將其輻解。通過(guò)改變反應(yīng)條件和使用乙醇限制粒子生長(zhǎng)尺寸方法，研究人員使用高分辨透射電子顯微鏡證明，他們能夠成功培養(yǎng)出幾乎相同的和基本上沒(méi)有缺陷的超耐熱合金金屬粒子。

　　桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究小組與伽馬輻照設(shè)備公司和離子束材料研究實(shí)驗(yàn)室(提供此次研究所需輻射環(huán)境)合作進(jìn)行了這些高度專(zhuān)業(yè)性的實(shí)驗(yàn)。伽馬輻照設(shè)備公司監(jiān)督員東.貝利說(shuō)，“目標(biāo)溶液置于伽馬輻照設(shè)備公司的檢測(cè)室內(nèi)，使他們暴露在各種伽馬輻照檢測(cè)配置中，控制輻射劑量率。高濃度放射源浸在18英尺無(wú)離子水中，以保護(hù)工人不受輻射，通過(guò)升降機(jī)將其升入檢測(cè)室中對(duì)目標(biāo)進(jìn)行輻射。輻射結(jié)束后，輻射源被送回水池中的原來(lái)位置，工人可以再次安全地進(jìn)入檢測(cè)室。”

　　在研究粒子成長(zhǎng)時(shí)，研究人員甚至在離子束材料研究實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了更高劑量的輻射檢測(cè)，并獲得了檢測(cè)結(jié)果。離子束研究員吉姆.克納普說(shuō)，“離子束輻射實(shí)驗(yàn)是在范氏加速器的外部離子束終點(diǎn)站定制室內(nèi)進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)得出了溶液中劑量濃度率。一個(gè)存在于真空中的質(zhì)子束在進(jìn)入目標(biāo)溶液之前先穿過(guò)一個(gè)聚酰亞胺薄膜。系統(tǒng)可以將目標(biāo)溶解暴露在輻射下幾小時(shí)，但是這些實(shí)驗(yàn)中所需要的暴露時(shí)間通常只有幾分之一秒。”

　　在伽馬輻照設(shè)備公司或者離子束材料研究實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行輻射后，采用各種各樣的技術(shù)對(duì)樣品(無(wú)放射性)進(jìn)行研究，比如紫外線-可見(jiàn)光及高分辨透射電子顯微技術(shù)來(lái)研究影響粒子構(gòu)成、大小、形狀和成分時(shí)間及實(shí)驗(yàn)變量的因素。

　　通過(guò)結(jié)合反應(yīng)物、劑量和輻射劑量率，研究人員能夠制造出各種形狀(如球形、棒形和錐形)的納米金粒子。研究人員同時(shí)正著手將這些實(shí)驗(yàn)成果轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)模擬。桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究員凱文.里昂正使用從頭算分子動(dòng)力學(xué)，并結(jié)合其它方法解釋和理解實(shí)驗(yàn)中的控制因素問(wèn)題。

     “利用試驗(yàn)得出的結(jié)果以及桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室世界級(jí)的計(jì)算能力，我們將模擬出納米晶體的初期結(jié)構(gòu)。”里昂說(shuō)：“通過(guò)研究不同材料分界面里存在的自由能，我們將能夠理解是什么樣因素支配著這些金屬合金納米粒子的大小。在使用放射線后建造亞穩(wěn)相區(qū)域的模型有望成為一個(gè)令人激動(dòng)的新研究領(lǐng)域。”

　　“我們正在做的實(shí)際上是超耐熱合金納米粒子構(gòu)成科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的基礎(chǔ)研究，”尼洛弗說(shuō)：“這的確是超耐熱合金領(lǐng)域的新前沿。”