به گزارش خط رند ۹۱۲، پژوهشگران «دانشگاه ویرجینیا» و «دانشگاه ایالتی آریزونا» یک بودجه به مبلغ ۶.۲۵ میلیون دلار از وزارت دفاع آمریکا دریافت کرده اند تا مقاوم ترین مواد در مقابل حرارت را ابداع کنند.
به گزارش خط رند ۹۱۲ به نقل از ایسنا و به نقل از وبسایت رسمی دانشگاه ویرجینیا، «وزارت دفاع آمریکا»(DoD) می خواهد بداند که آیا مواد معدنی و سنگ های یافت شده در زمین و فضا، اسرار نسل بعدی مواد مقاوم در مقابل دمای بالا را در خود جای داده اند یا خیر. وزارت دفاع آمریکا برای پی بردن به این موضوع، بودجه ای را به مبلغ ۶.۲۵ میلیون دلار در برنامه «ابتکار پژوهش دانشگاهی چندرشته ای»(MURI) به گروهی از پژوهشگران «دانشگاه ویرجینیا»(UVA) و «دانشگاه ایالتی آریزونا»(ASU) اعطا کرد. این گروه پژوهشی به سرپرستی «الیزابت اوپیلا»(Elizabeth Opila) استاد بخش علوم و مهندسی مواد دانشگاه ویرجینیا کار می کنند.
برنامه بسیار رقابتی MURI، بودجه پژوهش های علمی بنیادین را تأمین می کند که وزارت دفاع آمریکا امیدوار است به پیشرفت در زمینه های مورد علاقه از راه بینش های جمعی پیرامون چندین رشته ختم شود.
اوپیلا اظهار داشت: به علت احتیاج به تولید انرژی، فراصوت و کارهای جدید درحال ظهور در این حوزه مانند تولید مواد افزودنی، حالا زمان رونق مواد مقاوم در مقابل دمای بالاست. پژوهشگران درحال کاوش در فضاهای ترکیبی جدیدی هستند که در آن، عناصر متعدد به روش های متفاوتی با یکدیگر ترکیب می شوند. علاوه بر این، ما به مواد الهام گرفته از زمین شناسی و علوم سیاره ای می پردازیم که بسیار سرگرم کننده هستند. مواد معدنی و سنگ ها در مقایسه با ترکیباتی که دانشمندان معمولاً با آنها کار می کنند، پیچیده هستند و به همین دلیل، این پروژه هیجان انگیز است.
اوپیلا افزود: زمین شناسان روی چگونگی شکل گیری زمین و محل احتمالی یافتن این مواد متفاوت متمرکز شده اند. ما می خواهیم این دانش را بیاموزیم و به فضای کاربردی بیاوریم.
پژوهشگران با انتخاب کردن خصوصیت های فیزیکی خاص، از طبیعت در به کار بردن ترکیبات معدنی، دما، فشار و تغییرات سریع این نیروها برای ساخت مواد مصنوعی خود تقلید خواهند کرد. هدف اینست تا تجهیزات و مواد تشکیل دهنده ای عرضه شوند که از راه آنها میتوان مواد مقاوم در مقابل دمای بالا را برای پیشی گرفتن از هر چیزی که توسط مردم یا طبیعت ساخته شده است، مورد پردازش قرار داد و برای دیگران مستندسازی کرد.
در جست وجوی مواد نسوز
«اداره پژوهش ارتش آمریکا»(ARO) با عنایت به نیاز خود به مواد نسوز بهتر که در مقابل ضعیف شدن، ذوب شدن یا تجزیه شدن تحت گرمای شدید یا خورنده مقاومت می کنند، خواهان پیشنهاداتی در مورد مواد نسوز زمینی و فرازمینی شد. در بین چندین پیشنهاد، گروه اوپیلا مجموعه ای از مواد جدید را طراحی و آزمایش کرد که برای عملکرد بهتر آنها، از سرامیک ها، آلیاژها و پوشش های کنونی به کاررفته در محیط های بشدت گرم استفاده شده بود.
اوپیلا دانشمند سابق ناسا و مبتکر ابداع مواد مقاوم در مقابل حرارت و خوردگی است. همکاران او متخصصان زمین شناسی، مدلسازی محاسباتی و علم مواد از دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه ویرجینیا و دانشکده های مهندسی مواد، حمل و نقل و انرژی، علوم مولکولی، زمین و اکتشاف فضایی دانشگاه ایالتی آریزونا هستند.
پژوهشگران ارشد پروژه اوپیلا، «پاتریک هاپکینز»(Patrick Hopkins)، استاد دانشکده مهندسی مکانیک و هوافضا و «بی چنگ ژو»(Bi-Cheng Zhou) استادیار علوم و مهندسی مواد دانشگاه ویرجینیا هستند.
ترکیب جدید که رقیق و گرم شده و به صورت پودر خشک شده در آمده است، باردیگر رقیق می شود و حرارت و فشار کافی را برای تشکیل دادن یک مجموعه متراکم از مواد دریافت می کند. پژوهشگران نمونه ها را تحت آزمایش های گوناگونی قرار می دهند. برای مثال، آنها را در معرض بخار با سرعت های متفاوت می گذارند یا فشارهایی را مشابه فشارهای زمین شناسی روی آنها اعمال می کنند.
پژوهشگران علاوه بر این روش های سنتی، روش هایی را با الهام از پدیده های سیاره ای یا زمین شناسی آزمایش خواهند کرد؛ مانند «سنتز گرمابی» که در آب گرم با فشار بالا رخ می دهد. از آنجائیکه آب در فضای داخلی گرم و تحت فشار زمین فراوان است، فرآیندهای گرمابی با ایجاد شدن مواد معدنی حاوی عناصر کمیاب خاکی مرتبط هستند. این عناصر برای خیلی از کاربردهای انرژی تجدیدپذیر حیاتی هستند.
در آزمایشگاه، سنتز گرمابی شامل تشکیل شدن بلورها در محلول مبتنی بر آب داغ در یک ظرف بسته است؛ به صورتی که مولکول های گازی درحال حرکت روی مایع، فشار بخار بالایی را به سیستم وارد می کنند.
معضل عناصر کمیاب زمین
یکی از تمرکزهای پروژه MURI، استفاده کردن از عناصر خاکی کمیاب است. خیلی از عناصر خاکی کمیاب هم اکنون در مواد معمولی با دمای بالا، مانند پوشش های مورد استفاده در هوانوردی و پروازهای مافوق صوت و همینطور باتری ها، دستگاههای مجهز به LED و سایر محصولاتی استفاده می شوند که به صورت فزاینده ای مورد تقاضا هستند اما هزینه گزافی دارند. باآنکه این عناصر در واقع کمیاب نیستند اما جداسازی آنها از خاک و سنگ، به دهها مرحله نیاز دارد که بیشتر آنها آلوده کننده هستند.
اوپیلا اظهار داشت: همه این اکسیدهای خاکی کمیاب که مقرر است استفاده نماییم، هم اکنون در مواد معدنی هستند. همه آنها بعد از استخراج باید از یکدیگر جدا شوند. بعنوان مثال، ایتربیم و لوتتیم در جدول تناوبی از نظر شیمیایی بسیار شبیه به هم هستند؛ به صورتی که ۶۶ مرحله شامل خیلی از مواد شیمیایی است که به تولید مواد زائد بد منجر می شوند.
مشکل جداسازی، اوپیلا را بر آن داشت تا در پروژه دیگری که همراه با گروهش روی آن کار می کند و در ارتباط با MURI است، سؤالی را بپرسد. سوال اوپیلا این بود که چه می شود اگر یک ماده معدنی از جنس عناصری که می خواهید مستقیما از زمین بیرون بیاورید اما آنها را جدا نکنید، کمی تمیز شود و مواد جدید از آنها ساخته شوند.
آنها درحال آزمایش کردن یک ماده معدنی رایج معروف به زنوتیم برای بهبود پوشش ها هستند که از قطعات موتور جت در مقابل خطراتی مانند بخار و شن های صحرا محافظت می کند.
