Золото, серебро и медь — тяжёлые металлы, но учёные Ливерморской национальной лаборатории (Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL) теперь могут сделать их лёгкими, как воздух.
Благодаря исследованиям в рамках проекта с участием специалистов Национального комплекса лазерных термоядерных реакций (National Ignition Facility, NIF) и Лаборатории исследований и разработок (Laboratory Directed Research and Development, LDRD), были созданы металлические пены, предоставляющие физикам более совершенные рентгеновские источники для использования в экспериментах.
Созданная пена — результат почти десятилетней работы, её можно использовать, например, в экспериментах по инерциальному управляемому синтезу.
«Мы в первую очередь рассматриваем фундаментальные вопросы, определяющие, как синтезировать, собирать и формировать аэрогели на основе металлической нанопроволки», — говорит материаловед Майкл Багге-Хансен (Michael Bagge-Hansen), ведущий исследователь лаборатории.
Материал называется пеной, потому что исторически так назывались подобные типы материалов, но он не изготовлен путём вспенивания — это похожая на спагетти паутина случайно соединённых нанометровых приводов, сформированных в виде «зефирок» и содержащих такое же или меньшее количество атомов на единицу объёма, как воздух.
Физик Сергей Кучеев называет этот материал «монолитом пористого металла». Процессы, происходящие в материале, можно рассматривать как с точки зрения химии, так и физики.
Учёные искали различные металлы сверхнизкой плотности, чтобы их можно было использовать в качестве мишеней для лазерных рентгеновских источников. В экспериментах измерялись свойства различных материалов, помещённых в экстремальные условия, например, внутрь целевой камеры были направлены 192 мощных лазера.
Каждый элемент испускает характерный набор рентгеновских лучей при нагревании лазером и превращении в плазму. Металлические пены могут имитировать газ, даже если они изготовлены из материалов, не являющихся газом при комнатной температуре.
Однако физика лазерных источников рентгеновского излучения задаёт высокие требования к типу, плотности, форме и размерам металлических пен, необходимых для экспериментов.
«Нам нужны мишени из тяжёлых металлов с плотностью, приближенной к плотности воздуха, и размером до нескольких миллиметров в заданных пределах, — говорит Тайлер Фирс (Tyler Fears), научный сотрудник Ливерморской национальной лаборатории. — Наша задача — попытаться соответствовать всем этим условиям одновременно».
Команда также должна была убедиться, что разработанные методы могут быть повторены при дальнейшем производстве пены, даже если размер, форма и состав будут изменяться в соответствии с потребностями будущих экспериментов.
«Надо иметь возможность каждый раз создавать один и тот же или сравнимый материал, — говорит Фирс. — Когда мы что-то меняем, мы должны понимать, как это повлияет на результат. Если изменять плотность или форму, мы должны быть уверены, что это единственное, что меняется».
По словам Сергея Кучеева, исследование длится уже почти 10 лет. Но только в последние пару лет удалось достичь такого высокого качества.
Предыдущие версии, которые перед помещением в целевую камеру держали на воздухе, выглядят как «старые чёрствые зефирки». Ещё одна итерация материала произошла от искажённых форм, один из членов команды назвал её «сигаретным пеплом».
Группа пробовала использовать другие типы материалов низкой плотности для создания своего рода «строительных лесов», обеспечивающих несущую конструкцию для вкрапленных частиц определённых металлов. Но материалы этих «лесов» создавали нежелательное рентгеновское излучение при попадании на них лазерных лучей. Это создавало помехи в рентгеновских данных, которые учёные хотели получить от определённых типов испытываемой ими пены.
Таким образом, чтобы сохранить чистоту рентгеновского спектра, команде пришлось создать структуру проволоки из самого материала. По словам материаловеда Фан Цянь (Fang Qian), именно это стало самой большой проблемой.
«Нехватка предшествующей литературы по созданию подобных проволок в больших количествах, — рассказывает она, — означало, что для понимания синтетических механизмов нам пришлось провести множество экспериментов и фундаментальных исследований. Мы также использовали несколько инструментов для определения характеристик в магнетронном распылительном устройстве, для оценки моделей роста, структуры, поверхности и химии этих уникальных материалов. В итоге мы разработали и уникальный протокол, и рецепт».
Цянь добавила, что с помощью магнетронного распылительного устройства «теперь можно быстрее проводить исследования и разработки металлических наноматериалов, таких как частицы и проволока, и воспроизводить сырьё в масштабе граммов, используя тщательно проверенные процедуры».
Команда замораживает нанопроволоку внутри пресс-формы, заполненной водно-глицериновой смесью. Когда нанопроволока затвердевает, она выглядит как «случайно объединённая сетка из замороженных спагетти». Затем материал удаляется из формы, а замороженная вода извлекается путём замены растворителем (ацетоном), который затем удаляется в процессе сверхкритической сушки с использованием жидкого углекислого газа, оставляя только металл и воздух. Сверхкритическая сушка обеспечивает переход жидкости в газовую форму без образования мениска металла, способного повредить хрупкую структуру металлической пены сверхнизкой плотности.
«Тут нет никакого капиллярного давления, и это также позволяет поддерживать очень маленькие поры без усадки», — говорит Фирс.
Команда уже уверенно производит медную и серебряную пену. С недавних пор учёные могут производить и золотые пены, всё ещё имеющие тенденцию спадать с креплений, удерживающих их перед лазерами. Но эту проблему исследователи пытаются сейчас решить.
