使用强化示踪剂追踪爆炸

爆炸会发生什么?爆炸后的产物去了哪里?这些问题往往很难解决。太平洋西北国家实验室 (PNNL) 研究人员开发的 新型坚固示踪粒子可以提供一些答案。

除了爆炸物，许多行业可能对追踪恶劣环境中的微粒感兴趣——这些环境通常包括高压、高温和不同的化学品。

“存在许多化学示踪剂，”支持 PNNL 国家安全研究的材料科学家 Lance Hubbard 说。“挑战在于开发一种能够在恶劣环境中生存的产品。我们花了几年时间才说服任何人我们可以做到。”

哈伯德和他的团队，连同 PNNL 的研究员 April Carman 和 Michael Foxe，创造了一种示踪剂，它不仅可以在极端条件下生存，而且可以茁壮成长。他们的工作发表在MRS Communications上。

量子点和水浸玻璃

有机材料，如荧光染料，通常用作生物实验中漏水和跟踪细胞的示踪剂。虽然它们在这些条件下工作得很好，但它们不太适合追踪爆炸中的材料。他们的问题?

“它们会燃烧，”哈伯德说。

相反，哈伯德和他的团队专注于无机材料来开发坚固耐用的示踪剂——尤其是量子点。尽管它们在恶劣条件下的表现比有机材料好得多，但研究团队仍然需要保护量子点免受化学爆炸的极端条件的影响。

“事实证明，找到一种既能保护示踪剂又能保持其发光强度的方法很困难，”卡曼说。

示踪剂的亮度(或发光强度)会受到当地环境的很大影响。一些保护方法会降低亮度，使示踪剂更难检测。该团队专注于使用水合二氧化硅——正如哈伯德所说的“基本上是水浸玻璃”——来保护量子点并保持它们的亮度。

尽管以前的二氧化硅涂层方法显着降低了示踪剂的发光，但 PNNL 团队设计的涂层示踪剂几乎与原始量子点一样明亮。进一步的测试表明，这些颗粒可以在一系列 pH 条件下存活很长时间。

“当我们看到我们的结果时，我们知道我们创造了一些特别的东西，”哈伯德说。

背光下发光的硒化镉量子点——制造耐爆示踪剂的中间步骤。图片来源：纳撒尼尔·史密斯 | 太平洋西北国家实验室

使示踪剂可调和可量产

特殊是一回事，但可用于商业规模又是另一回事。对于 PNNL 团队来说幸运的是，他们的合成方法从一开始就被设计为完全可扩展以生产大量产品——从每天几千克到潜在的几吨。

他们不仅可以制造大量示踪剂，而且还可以定制它们。“我们可以将示踪剂的大小和颜色调整到任何特异性，”Foxe 说。“可以对示踪剂进行微调，以模拟被跟踪的质量或材料。我们还可以使用具有不同颜色的各种尺寸来可视化爆炸如何影响不同尺寸的粒子。”

示踪剂足够坚固，可以部署在恶劣的环境中以跟踪质量并提高科学家对环境归宿和运输的理解。它们可以在对传统示踪剂而言过于严酷的条件下发挥作用，例如在石油和天然气精炼厂或地热发电厂中。凭借可调参数和易于使用的系统，这些示踪剂具有许多潜在的应用，可用于跟踪恶劣环境中的材料归宿和运输。

爆炸后沉积在墙上的发光碎片。图片来源：兰斯哈伯德 | 太平洋西北国家实验室

坚持不懈

该研究现已从国家核安全局 (NNSA) 的国防核不扩散研究与开发计划的小额初始投资发展为涵盖多个相关项目。

卡曼说：“我们很高兴尽管最初持怀疑态度，但我们能够继续推进这个项目。” “我们也很高兴看到它下一步会把我们引向何方。”