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纳米粒子为研制超耐热合金材料带来希望 |
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| http://cn.newmaker.com
6/18/2007 10:10:00 AM
中国科技信息网
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 据physorg网站2007年6月13日报道，美国桑迪亚国家实验室正通过推进超耐热合金材料制造相关科学的发展来引领未来超耐热合金材料技术。作为桑迪亚纳米级研究的一部分，一群无机合成和特性、模拟及辐射科学专家设计出一个实验用辐射系统，以研究金属和合金纳米粒子制造科学。
此研究项目领头人提纳.尼洛弗称，该研究涉及非常广泛。研究小组正研制的轻型抗腐蚀材料可用于制造武器外套、气体涡轮发动机、卫星、飞机和电力设备。尼洛弗说，“我们现在正在做的是，采取一种全新的方法制造超耐热合金材料。我们正使用辐射来破坏物质的分子结构，制造纳米粒子。这是一种非常灵活和常用的制造大量超耐热合金纳米粒子成分的方法，纳米粒子很难通过其它方法制造。”
高中科学课将取消有关材料和化学科学将合金定义为两种或者更多种元素，其中至少一种是金属的化合物的章节。这些化合材料具有与其构成成分不同的金属特性(有时候具有完全不同的特性)。比如钢比其原始成分铁强硬更高。超耐热合金，正如其名字所暗示的，是完全不同于通常的合金，宛如超人完全有别于我们其它普通人一样。这些超耐热合金异常坚固和轻质，能够抵挡破坏像钢和铝一样的常见金属的极端环境因素。
桑迪亚国家实验室研究员詹森.琼斯说，“这些高性能超耐热合金具有极强的机械强度，他们能够抗腐蚀、氧化和高温变型。”过去，超耐热合金材料开发依赖于化学和技术创新，对超耐热合金需求甚高的航天和电力行业是创新的主要动力。
尼洛弗说，“我们正在研究的辐射方法(辐解)提出了一个通过纳米粒子合成方式制造合金和超耐热合金的全新研究领域。此处理过程成为研究纳米粒子构成的通用方法。通过提升我们对纳米粒子构成基础材料科学的了解，我们能够把我们的研究扩大至超耐热合金的其它领域，如镍合金。”
尼洛弗称，研究小组正致力于“新亚稳定阶段空间”科学研究，传统合金生产方法很难达到亚稳定阶段空间，比如熔化。这些“阶段空间”可是一个途径或者轨道点，代表着一段时期内粒子的运动。那个粒子系统的每个潜状态都与一个阶段空间内的唯一一个点相对应。了解这些空间对于确定合金制造和形成方式非常重要。
在研究小组实验中，研究人员将溶解分子与分子或者离子结合，溶于水中，然后将其辐解。通过改变反应条件和使用乙醇限制粒子生长尺寸方法，研究人员使用高分辨透射电子显微镜证明，他们能够成功培养出几乎相同的和基本上没有缺陷的超耐热合金金属粒子。
桑迪亚国家实验室研究小组与伽马辐照设备公司和离子束材料研究实验室(提供此次研究所需辐射环境)合作进行了这些高度专业性的实验。伽马辐照设备公司监督员东.贝利说，“目标溶液置于伽马辐照设备公司的检测室内，使他们暴露在各种伽马辐照检测配置中，控制辐射剂量率。高浓度放射源浸在18英尺无离子水中，以保护工人不受辐射，通过升降机将其升入检测室中对目标进行辐射。辐射结束后，辐射源被送回水池中的原来位置，工人可以再次安全地进入检测室。”
在研究粒子成长时，研究人员甚至在离子束材料研究实验进行了更高剂量的辐射检测，并获得了检测结果。离子束研究员吉姆.克纳普说，“离子束辐射实验是在范氏加速器的外部离子束终点站定制室内进行的。实验得出了溶液中剂量浓度率。一个存在于真空中的质子束在进入目标溶液之前先穿过一个聚酰亚胺薄膜。系统可以将目标溶解暴露在辐射下几小时，但是这些实验中所需要的暴露时间通常只有几分之一秒。”
在伽马辐照设备公司或者离子束材料研究实验室进行辐射后，采用各种各样的技术对样品(无放射性)进行研究，比如紫外线-可见光及高分辨透射电子显微技术来研究影响粒子构成、大小、形状和成分时间及实验变量的因素。
通过结合反应物、剂量和辐射剂量率，研究人员能够制造出各种形状(如球形、棒形和锥形)的纳米金粒子。研究人员同时正着手将这些实验成果转化为计算机模拟。桑迪亚国家实验室研究员凯文.里昂正使用从头算分子动力学，并结合其它方法解释和理解实验中的控制因素问题。
“利用试验得出的结果以及桑迪亚国家实验室世界级的计算能力，我们将模拟出纳米晶体的初期结构。”里昂说：“通过研究不同材料分界面里存在的自由能，我们将能够理解是什么样因素支配着这些金属合金纳米粒子的大小。在使用放射线后建造亚稳相区域的模型有望成为一个令人激动的新研究领域。”
“我们正在做的实际上是超耐热合金纳米粒子构成科学领域内的基础研究，”尼洛弗说：“这的确是超耐热合金领域的新前沿。”
英文原文链接参见：http://www.physorg.com/news100965624.html
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