Skip to content
Home » Superharde, hoge-temperatuur, ‘hoge entropie’ carbiden demonstreren plasmonische eigenschappen die nuttig zijn voor een breed scala aan ruimtevaarttoepassingen – ScienceDaily

Superharde, hoge-temperatuur, ‘hoge entropie’ carbiden demonstreren plasmonische eigenschappen die nuttig zijn voor een breed scala aan ruimtevaarttoepassingen – ScienceDaily

    Minirobots leren 'zwemmen' op rekbare oppervlakken

    Een groep wetenschappers onder leiding van Duke University heeft een nieuwe klasse materialen ontwikkeld die afstembare plasmonische eigenschappen kunnen produceren en tegelijkertijd ongelooflijk hoge temperaturen kunnen weerstaan.

    Plasmonics is een technologie die in wezen de energie van licht opsluit in groepen elektronen die samen op een metalen oppervlak oscilleren. Dit creëert een krachtig elektromagnetisch veld dat interageert met binnenkomend licht, waardoor apparaten specifieke frequenties over een groot deel van het elektromagnetische spectrum kunnen absorberen, uitzenden of anderszins regelen.

    De nieuwe materialen zijn hard genoeg om gesmolten staal te roeren en zijn bestand tegen temperaturen van meer dan 7.000 graden Fahrenheit – ongeveer dezelfde temperaturen die slechts een paar honderd mijl boven het oppervlak van de zon worden gevonden. In combinatie met hun nieuw ontdekte plasmonische vermogens, konden de carbiden verbeterde communicatie en thermische regulering bereiken in technologieën zoals satellieten en hypersonische vliegtuigen.

    Het onderzoek verschijnt 11 oktober online in het open access tijdschrift Natuur Communicatie.

    “De standaardmetalen die worden gebruikt in plasmonisch onderzoek, zoals goud, zilver en koper, smelten bij relatief lage temperaturen en hebben bescherming tegen de elementen nodig”, zegt Arrigo Calzolari, een onderzoeker aan het Istituto Nanoscienze van Consiglio Nazionale delle Ricerche in Modena, Italië ” Dat betekent dat ze niet kunnen worden gebruikt in raketten, satellieten of andere ruimtevaarttoepassingen. Maar deze nieuwe materialen die we ontwikkelen, openen een volledig nieuwe werkarena omdat ze plasmonische effecten kunnen creëren bij ongelooflijk hoge temperaturen.”

    De capaciteiten komen van een klasse van ongeordend keramiek die in 2018 werd ontdekt door Stefano Curtarolo, hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan Duke, genaamd “hoge entropie” carbiden. Door de afhankelijkheid van de kristallijne structuren en bindingen die traditionele materialen bij elkaar houden overboord te gooien, vertrouwen deze carbiden met hoge entropie op een combinatie van vele wanordelijke elementen van verschillende groottes om de stabiliteit te verbeteren. Hoewel een stapel honkballen niet op zichzelf staat, kan een stapel honkballen, schoenen, vleermuizen, hoeden en handschoenen een rustende honkbalspeler ondersteunen.

    De oorspronkelijke groep van materialen met een hoge entropie was gemaakt van koolstof en vijf verschillende metalen elementen, waardoor ze technisch gezien een klasse van carbiden waren. Sindsdien heeft Curtarolo een subsidie ​​​​van $ 7,5 miljoen binnengehaald via de Multidisciplinair University Research Initiative (MURI) -competitie van het Amerikaanse ministerie van Defensie om een ​​reeks AI-materialentools te ontwikkelen die in staat zijn vergelijkbare materialen te ontwerpen met op maat gemaakte eigenschappen op aanvraag.

    Calzolari kende deze materialen en het project dat Curtarolo leidde. Hij wist ook dat tantaalcarbide (een ouder maar eenvoudiger systeem) extreem duurzaam is en plasmonische eigenschappen vertoont in het zichtbare spectrum. Maar het materiaal kan niet worden afgestemd op verschillende lichtfrequenties buiten het natuurlijke bereik, waardoor de bruikbaarheid in toepassingen in de echte wereld wordt beperkt. Door twee en twee samen te voegen, bundelden Calzolari en Curtarolo hun krachten op het vermoeden dat bepaalde recepten voor carbiden met hoge entropie – vooral die met tantaal – afstembare plasmonische eigenschappen over een breed spectrum zouden kunnen aantonen.

    Minder dan zes maanden later kregen ze gelijk.

    “Arrigo kwam naar me toe om ervoor te zorgen dat deze carbidemengsels zouden werken en dat ze plasmonische eigenschappen zouden hebben,” zei Curtarolo. “Na het doornemen van de receptideeën door de stoornismodellen en berekeningen die we hebben ontwikkeld, ontdekten we dat ze plasmonische eigenschappen hebben en dat we ze kunnen afstemmen door de recepten aan te passen.”

    In de paper laten de modellen van de onderzoekers zien dat 14 verschillende recepten met hoge entropie plasmonische eigenschappen vertonen over het nabij-infrarode en zichtbare spectrum van licht, waardoor ze goede kandidaten zijn voor optische en telecommunicatietoepassingen. Ze werkten ook samen met Douglas Wolfe, hoogleraar materiaalkunde en engineering en het hoofd van de afdeling metaal, keramiek, coatingverwerking van het laboratorium voor toegepast onderzoek in Penn State, om hun theorie experimenteel te bewijzen.

    Als lid van het MURI-project onder leiding van Curtarolo was Wolfe al bekend met carbiden met hoge entropie. Hij had toevallig een voorbeeld van een van de recepten in kwestie, waarmee de groep snel de plasmonische eigenschappen van HfTa4C5 kon aantonen en aantoonde dat ze goed overeenkwamen met hun rekenmodellen.

    Het papier legt verschillende composities uit die beter of slechter werken dan elkaar in verschillende frequentiebereiken. De onderzoekers zijn van plan om door te gaan met het maken van nieuwe recepten en deze te testen voor mogelijk gebruik in een breed scala aan toepassingen, zoals antennes, licht- en warmtemanipulatie en nog veel meer op elk apparaat dat wordt blootgesteld aan ultrahoge temperaturen.

    “Deze materialen brengen plasmonica, hardheid, stabiliteit en hoge temperaturen samen in een enkel materiaal,” zei Curtarolo. “En ze kunnen worden aangepast aan specifieke toepassingen, wat niet mogelijk is met standaardmaterialen omdat je eigenschappen die door de natuur worden gedefinieerd niet kunt veranderen.”

    Dit werk wordt ondersteund door het Office of Naval Research (N00014-21-1-2132, N00014-20-1-2525, N00014-20-1-2299).

    Bron verhaal:

    Materialen geleverd door Duke universiteit. Oorspronkelijk geschreven door Ken Kingery. Opmerking: inhoud kan worden bewerkt voor stijl en lengte.

    .