Meraviglie che sfidano il calore: Esplorare la Terra e lo Spazio per Materiali Eccezionali

Ricercatori dell'Università della Virginia e dell'Università dello Stato dell'Arizona, finanziati dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti, stanno investigando su minerali e rocce per il loro potenziale nella creazione di materiali più duraturi e resistenti al calore.Credit: SciTechDaily.com

Un progetto di ricerca collaborativo finanziato dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti sta esplorando l'uso di minerali e rocce naturali per sviluppare materiali innovativi resistenti al calore, con un focus sulla sostenibilità e l'uso efficiente di elementi delle terre rare.

Materiali mai realizzati prima, i più duraturi e resistenti al calore, potrebbero essere nascosti sotto i nostri occhi.

Il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti vuole sapere se i minerali e le rocce trovati sulla Terra e nello spazio custodiscono i segreti dei materiali ad alta temperatura di prossima generazione. Per scoprirlo, il DOD ha assegnato 6,25 milioni di dollari attraverso la sua Multidisciplinary University Research Initiative, o MURI, a un team dell'Università della Virginia e dell'Università dello Stato dell'Arizona. Il gruppo è guidato da Elizabeth J. Opila dell'UVA, la Commonwealth Professor di Rolls-Royce e presidente del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali.

Il MURI, altamente competitivo, finanzia la ricerca scientifica fondamentale che il DOD spera porterà a importanti progressi nei suoi settori di interesse attraverso l'apporto di diverse discipline.

"È un momento favorevole per i materiali ad alta temperatura a causa delle esigenze nella produzione di energia, nell'ipersonica e in nuove cose come la fabbricazione additiva che stanno emergendo nel campo", ha dichiarato Opila. "Le persone stanno esplorando nuovi spazi compositivi in cui si mescolano diversi elementi in modi diversi. Inoltre, stiamo pensando a questi materiali ispirati alla geologia e ai pianeti, cosa che è molto divertente".

I minerali e le rocce sono complessi rispetto ai composti con i quali di solito lavorano i material scientist, ha detto Opila, ed è per questo che il potenziale del progetto è entusiasmante.

Il ricercatore post-dottorato Sandamal Witharamage (a destra) fa parte del team del professor Elizabeth J. Opila che sviluppa materiali innovativi ad alta temperatura ispirati alla geologia e ai pianeti nell'ambito di un finanziamento della Multidisciplinary University Research Initiative del Dipartimento della Difesa. Credit: Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate dell'Università della Virginia

"I geologi sono veramente concentrati su come si è formato il pianeta Terra e dove possiamo trovare queste diverse sostanze", ha affermato Opila. "Vogliamo prendere quelle conoscenze e portarle nello spazio delle applicazioni".

Selezionando specifiche proprietà fisiche, i ricercatori copieranno l'uso delle composizioni minerali da parte della Madre Natura, la temperatura, la pressione e i rapidi cambiamenti di queste forze, per creare i loro materiali sintetici. L'obiettivo è di ampliare in modo significativo e documentare per gli altri i mezzi e gli ingredienti da cui possono essere lavorati materiali ad alta temperatura superiori a tutto ciò che è stato finora concepito dall'uomo o dalla natura.

Per affrontare la necessità di materiali refrattari sempre migliori - quelli che resistono al indebolimento, alla fusione o al decomposizione in condizioni di calore intenso o corrosive, l'Army Research Office ha richiesto proposte su Comportamenti Emergenti dei Materiali Refrattari nella Terra e negli Extraterrestri. Tra diversi obiettivi, il team di Opila progetterà, realizzerà, testerà e descriverà una serie di nuovi materiali destinati a superare, in ambienti ad alta temperatura, ceramiche, leghe e rivestimenti attualmente in uso - ad esempio, un motore a getto che raggiunge i 3.000 gradi Fahrenheit.

Opila è un ex scienziato NASA e innovatore di materiali resistenti al calore e alla corrosione. I suoi collaboratori sono esperti di geologia, modellazione computazionale e scienza dei materiali della Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate dell'UVA e delle Scuole di Ingegneria della Materia, Trasporto e Energia; Scienze Molecolari; ed Esplorazione della Terra e dello Spazio dell'ASU.

I co-principal investigator di Opila dell'Ingegneria dell'UVA sono Patrick E. Hopkins, Whitney Stone Professor in ingegneria meccanica e aerospaziale, e Bi-Cheng Zhou, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali.

Il Laboratorio ExSiTE di Hopkins si specializza in tecniche basate su laser per la misurazione delle proprietà termiche. Il suo laboratorio avrà un ruolo chiave nella caratterizzazione dei materiali inventati dal team.

Zhou è un modelizzatore computazionale noto per aver inventato variazioni del metodo CALPHAD per ampliarne le capacità. Lui e un altro specialista di modellazione computazionale, Qijun Hong, professore associato dell'ASU in scienza e ingegneria dei materiali, utilizzeranno le rispettive competenze per velocizzare la scoperta di "ricette" promettenti da provare in laboratori sperimentali di entrambe le università.

Le strutture dell'ASU sono gestite da Alexandra Navrotsky, rinomata esperta interdisciplinare di termodinamica e direttrice del Navrotsky Eyring Center for Materials of the Universe, e da Hongwu Xu, mineralogista e chimico dei materiali e professore nelle scuole delle Scienze Molecolari e dell'Esplorazione della Terra e dello Spazio dell'ASU.

The teams will make and analyze prospective recipes — often exchanging samples for testing, Opila said, with her lab bringing extreme heat, while the ASU labs apply intense pressure as well as high-temperature testing.

Synthesis of test samples traditionally starts with an element in powder form, said UVA Ph.D. student Pádraigín Stack, which is chemically altered to isolate a target material, or a component of a target.

The new composition, which has been diluted, heated, and dried back to a powder, is then sintered, a process applying enough heat and pressure to form a dense puck of material. Thin slices from the puck, called coupons, provide the samples researchers will subject to various tests — for example, exposing it to steam at high velocities in Opila’s lab or, at ASU, applying geological-like pressures with a diamond anvil.

In addition to these traditional synthesis methods, the team will try approaches inspired by planetary or geological phenomena, such as hydrothermal synthesis, which occurs in heated water at elevated pressures. Since water is abundant in Earth’s hot, pressurized interior, hydrothermal processes are associated with, for example, the formation of minerals containing rare earth elements — critical components for many renewable energy applications.

In the lab, hydrothermal synthesis involves forming crystals in a hot water-based solution in a closed vessel such that gaseous molecules moving atop the liquid exert high vapor pressure within the system.

One focus of the MURI project is utilizing rare earth elements. Many rare earth elements are already used in conventional high-temperature materials, such as environmental barrier coatings in aviation and hypersonic flight, as well as batteries, LED devices and other increasingly in-demand products — but at a steep cost. While not actually rare, separating the elements from soil and rock requires dozens of steps, most of them polluting.

“All these rare earth oxides that we’re going to use are in minerals right now,” Opila said. “Somebody mines them and then they have to separate them all. For example, ytterbium and lutetium are neighbors on the periodic table. They are so chemically similar, it takes 66 steps involving many chemicals resulting in nasty waste products.”

The separation problem led Opila to ask a question at the heart of another project she and her students are working on that’s related to the MURI: “What if you take a mineral made of elements you want straight out of the ground but not separate them, just clean it up a bit and make your material from that?”

They’re experimenting with xenotime, a common mineral, to improve environmental barrier coatings, or EBCs, which protect jet engine parts from hazards like high-velocity steam and desert sand. Ingested sand can melt into glass and react with the underlying alloy if it infiltrates the coating.

“We know certain minerals are stable because we can find them in the ground,” Stack said. “You don’t find metallic iron in the ground, you find iron oxide because iron oxide is what’s stable. Let’s explore why something is stable, or if it has other useful properties, and use that knowledge to make something better.”