Используя методы анализа нанометрового масштаба и количества, которые слишком малы, чтобы взорваться, исследователи составили карту факторов температуры и длины, которые заставляют энергетические материалы, также известные как взрывчатые вещества, вести себя так, как они.
Используя «самый маленький в мире управляемый источник тепла» - крошечный кантилевер атомно-силового микроскопа (АСМ), - ученые из Технологического института Джорджии и Техасского технологического университета разработали новый способ изучения взрывчатых веществ с нанометровым размером Особенности. Методика дает новую информацию о таких явлениях, как плавление, испарение и разложение взрывчатых веществ на самых малых масштабах длины. Поскольку характеристики этих материалов сильно зависят от факторов нанометрового масштаба, таких как размер кристаллов и пустоты между кристаллами, исследования могут в конечном итоге привести к более безопасным взрывчатым веществам и лучшему контролю над тем, как они работают.
Исследование, получившее название «нанодектоника», было описано в онлайн-выпуске журнала Американского химического общества Nano Letters от 29 августа.
«Ученые хотели бы разработать энергетические материалы с определенными характеристиками, например, с заданной температурой, обеспечивающей заданную скорость горения», - объяснил Уильям Кинг, доцент в Школе машиностроения Технологического института Джорджии. «До наших измерений никто не мог исследовать эти свойства в нанометровом масштабе. С помощью полученных нами данных можно построить основанные на физике модели поведения этих материалов, а не полагаться на эмпирические соотношения, наблюдаемые в макромасштабе.."
Используя наконечник АСМ, способный нагревать пятна диаметром всего несколько нанометров, исследователи провели нанометровый термический анализ тонких пленок поликристаллического энергетического материала, известного как тетранитрат пентаэритрита (PETN). Они плавили, испаряли и разлагали ТЭН в масштабе от 100 нанометров до нескольких микрометров.
«Мы показали, что можем контролировать морфологию энергетических материалов на наноуровне, а также измерять наноразмерные свойства этих материалов», - сказал Брэндон Уикс, доцент кафедры химического машиностроения Техасского технологического университета. «Мы надеемся, что, поскольку для изучения необходимы очень небольшие количества материала, мы можем измерить свойства очень безопасным способом и экстраполировать информацию на объемные свойства. До сих пор было очень мало исследований наноразмерных свойств энергетических материалов. материалов вне военного применения."
Например, считается, что пустоты между кристаллами энергетических материалов играют важную роль в быстром разложении - или взрыве - материалов. При воздействии инициирующего стимула эти пустоты становятся «горячими точками» и действуют как очаги воспламенения, температура, размер и давление которых увеличиваются, что приводит к процессам детонации, которые делают взрывчатые вещества полезными в строительстве, горнодобывающей промышленности и других коммерческих операциях.
Формирование этих пустот напрямую не контролируется при синтезе материалов. Тем не менее, лучшее понимание взрывчатых веществ в наномасштабе может привести к лучшему контролю над процессом синтеза и созданию более качественных взрывчатых материалов, сказал Уикс..
«В идеале мы хотим контролировать наноразмерные свойства энергетических материалов, чтобы понять физику на малых расстояниях и сделать материалы более безопасными», - добавил он. «Возможно, мы могли бы внедрить в такой материал, как тэн, свойства, которые сделали бы его чувствительным к определенному инициирующему стимулу. Если бы не использовался правильный раздражитель, материал больше не вел бы себя как взрывчатка».
В эксперименте исследователи использовали нагретый кантилевер АСМ для нагрева тонкой пленки тэна. Изменяя температуру по мере того, как кантилевер сканировал пленку, исследователи смогли составить карту скоростей плавления, испарения и разложения в зависимости от температуры и наблюдать за их эффектами..
«Управляя тем, как мы сканируем поверхность иглой, мы можем заставить материал повторно сконденсироваться в его твердую форму», - сказал Кинг. «Когда он повторно конденсируется, он имеет принципиально другую кристаллическую структуру. Это дает нам контроль над кристаллической структурой в нанометровом масштабе функциональной длины».
Кристаллическая структура энергетических материалов меняется со временем, и исследователи измерили эти изменения во время изучения пленок тэна. Например, кристаллы со временем становятся больше, что меняет свойства материалов и может сделать взрывчатые вещества менее эффективными по мере их старения.
ТЭН - это взрывчатое вещество, используемое в горнодобывающей, строительной и оборонной промышленности, но поскольку исследователи работали с такими небольшими его количествами, в их лаборатории не было опасности взрыва. Уикс сказал, что образцы, которые они изучили, составляли лишь одну тысячную от количества, необходимого для поддержания взрыва. Он подсчитал, что количество материала, удаленного кантилевером во время испытаний, составило около 400 зептограмм. (Зептограмм - это одна секстиллионная часть грамма).
Кремниевые кантилеверы, изготовленные исследовательской группой Кинга, включают в себя встроенный нагреватель электрического сопротивления, который может создавать температуры до 1000 градусов по Цельсию. Температуру зонда можно регулировать с точностью до одного градуса Цельсия.
Помимо энергетических материалов, аналитический метод, ставший возможным благодаря нагретому кантилеверу АСМ, может быть использован для изучения и улучшения других материалов.
«Мы ожидаем, что другие кристаллические или поликристаллические материалы в целом будут вести себя аналогичным образом, хотя особенности каждого материала будут уникальными», - добавил Кинг.«Мы могли бы использовать эту же технику для изучения мелкомасштабных тепловых свойств целого набора материалов, которые мы не могли измерить раньше. Если мы сможем изучить эти материалы в нанометровом масштабе, это позволит нам разработать их в больших масштабах."