納米粒子為研制超耐熱合金材料帶來希望

       美國桑迪亞國家實驗室正通過推進超耐熱合金材料制造相關科學的發展來引領未來超耐熱合金材料技術。作為桑迪亞納米級研究的一部分，一群無機合成和特性、模擬及輻射科學專家設計出一個實驗用輻射系統，以研究金屬和合金納米粒子制造科學。

　　此研究項目領頭人提納.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、氣體渦輪發動機、衛星、飛機和電力設備。尼洛弗說，“我們現在正在做的是，采取一種全新的方法制造超耐熱合金材料。我們正使用輻射來破壞物質的分子結構，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，納米粒子很難通過其它方法制造。”

　　高中科學課將取消有關材料和化學科學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。這些化合材料具有與其構成成分不同的金屬特性(有時候具有完全不同的特性)。比如鋼比其原始成分鐵強硬更高。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固和輕質，能夠抵擋破壞像鋼和鋁一樣的常見金屬的極端環境因素。

　　桑迪亞國家實驗室研究員詹森.瓊斯說，“這些高性能超耐熱合金具有極強的機械強度，他們能夠抗腐蝕、氧化和高溫變型。”過去，超耐熱合金材料開發依賴于化學和技術創新，對超耐熱合金需求甚高的航天和電力行業是創新的主要動力。

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

　　尼洛弗稱，研究小組正致力于“新亞穩定階段空間”科學研究，傳統合金生產方法很難達到亞穩定階段空間，比如熔化。這些“階段空間”可是一個途徑或者軌道點，代表著一段時期內粒子的運動。那個粒子系統的每個潛狀態都與一個階段空間內的唯一一個點相對應。了解這些空間對于確定合金制造和形成方式非常重要。

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

　　桑迪亞國家實驗室研究小組與伽馬輻照設備公司和離子束材料研究實驗室(提供此次研究所需輻射環境)合作進行了這些高度專業性的實驗。伽馬輻照設備公司監督員東.貝利說，“目標溶液置于伽馬輻照設備公司的檢測室內，使他們暴露在各種伽馬輻照檢測配置中，控制輻射劑量率。高濃度放射源浸在18英尺無離子水中，以保護工人不受輻射，通過升降機將其升入檢測室中對目標進行輻射。輻射結束后，輻射源被送回水池中的原來位置，工人可以再次安全地進入檢測室。”

　　在研究粒子成長時，研究人員甚至在離子束材料研究實驗進行了更高劑量的輻射檢測，并獲得了檢測結果。離子束研究員吉姆.克納普說，“離子束輻射實驗是在范氏加速器的外部離子束終點站定制室內進行的。實驗得出了溶液中劑量濃度率。一個存在于真空中的質子束在進入目標溶液之前先穿過一個聚酰亞胺薄膜。系統可以將目標溶解暴露在輻射下幾小時，但是這些實驗中所需要的暴露時間通常只有幾分之一秒。”

　　在伽馬輻照設備公司或者離子束材料研究實驗室進行輻射后，采用各種各樣的技術對樣品(無放射性)進行研究，比如紫外線-可見光及高分辨透射電子顯微技術來研究影響粒子構成、大小、形狀和成分時間及實驗變量的因素。

　　通過結合反應物、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。研究人員同時正著手將這些實驗成果轉化為計算機模擬。桑迪亞國家實驗室研究員凱文.里昂正使用從頭算分子動力學，并結合其它方法解釋和理解實驗中的控制因素問題。

     “利用試驗得出的結果以及桑迪亞國家實驗室世界級的計算能力，我們將模擬出納米晶體的初期結構。”里昂說：“通過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相區域的模型有望成為一個令人激動的新研究領域。”

　　“我們正在做的實際上是超耐熱合金納米粒子構成科學領域內的基礎研究，”尼洛弗說：“這的確是超耐熱合金領域的新前沿。”