Deze studie combineert in situ fotoluminescentiespectroscopie en synchrotron röntgendiffractie met akoestische levitatie om de door uitharding geïnduceerde piekverschuiving te monitoren, wat wijst op structurele en chemische veranderingen in alumina-gevulde fotopolymeer-nanocomposieten. De evolutie van de piekverschuiving tijdens ultraviolette uitharding onder contact- en containerloze condities, hier gepresenteerd, demonstreert een methode die waardevol is voor materiaalverwerking die relevant is voor microzwaartekracht.
Onderzoeksartikel
Effecten van containerloze uitharding via in situ karakterisering met akoestische levitatie om de vervaardiging van nanocomposieten in microzwaartekracht te verbeteren
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Akoestische levitatie biedt een platform dat relevant is voor microzwaartekracht om het uithardingsgedrag van met nanodeeltjes gevulde fotopolymeren in een containerloze omgeving te onderzoeken. Dit is bijzonder relevant voor het ontwerp van productiemethoden in de ruimte ter ondersteuning van ruimteverkenning. Het doel van dit werk is om een gekoppelde in situ monitoringsaanpak te demonstreren die in staat is om door uitharding veroorzaakte structurele veranderingen vast te leggen en verschillen in de ontwikkeling van restspanning te detecteren tussen uithardingsrandvoorwaarden die relevant zijn voor microzwaartekracht, specifiek de aanwezigheid of afwezigheid van een containerbeperking, tijdens ultraviolette (UV) uitharding van een met nanodeeltjes gevuld fotopolymeer. In dit werk werd een akoestisch levitatiesysteem in de ene opstelling geïntegreerd met een op glasvezel gebaseerd in situ spectroscopiesysteem en in een andere opstelling met een synchrotron röntgen diffractiesysteem om de structurele en chemische veranderingen tijdens UV-uitharding van nanodeeltjes-fotopolymeren vast te leggen, terwijl de vorm en stabiliteit van de nanocomposietbolletjes werden gemonitord. De technieken leverden kwantitatieve metingen op van de door uitharding veroorzaakte piekverschuiving, wat de ontwikkeling van restspanning weerspiegelt, tijdens het uithardingsproces in een containerloze omgeving en een omgeving met oppervlaktecontact met een hoge temporele resolutie. De resultaten tonen aan dat de contactconditie een hogere restspanning induceert dan de containerloze conditie gedurende het gehele uithardingsproces, van het vloeibare nanodeeltjes-polymeermengsel tot het uiteindelijke uitgeharde product. Dit verschil benadrukt de invloed van wandbeperking op de uitharding in relatie tot de spanningsontwikkeling tijdens aardse verwerking. Door contact- en containerloze uitharding te vergelijken, biedt deze op de grond gebaseerde karakteriseringsaanpak een toegankelijke methode voor het bestuderen van uithardingsgedrag dat relevant is voor microzwaartekracht en ondersteunt het de ontwikkeling van verwerkingsstrategieën voor betrouwbare productie van polymere nanocomposieten in de ruimte. Naast dit materiaalsysteem kan deze geïntegreerde aanpak worden toegepast op andere materialen voor productieprocessen die relevant zijn voor microzwaartekracht.
Inleiding
Ruimtemissies van lange duur en maanbases vormen de volgende grens voor ruimteverkenning1,2,3. Deze missies moeten prioriteit geven aan een duurzame en betrouwbare basis met een veilige en bewoonbare leefomgeving voor astronauten. Het creëren van infrastructuur is nodig om toekomstige expedities te faciliteren die de fundamentele kennis in de planetaire wetenschappen, levenswetenschappen, fysische wetenschappen en meer vooruithelpen4. Het vestigen van functionele en duurzame materiaalsystemen in de ruimte vereist echter hulpbronnen om de nodige materialen en processen voor fabricage te kunnen leveren. De mogelijkheid om ter plaatse van de planetaire verkenning te produceren zal de behoeften aan nuttige lading aanzienlijk verminderen, en dit vereist een beter begrip van het effect van de ruimteomgeving op de eigenschappen van de gefabriceerde materialen.
Het concept van productie in de ruimte en het benutten van de unieke omgeving om materialen en producten te creëren met eigenschappen die in een aardse omgeving onbereikbaar zijn, werd meer dan vijf decennia geleden geïntroduceerd5. Productie in de ruimte ondersteunt een kostenefficiënte en gewichtsefficiënte aanpak voor het ondersteunen van exploratiedoelen, terwijl het toegang biedt tot omgevingen voor de studie van de verwerking van verbeterde functionele materialen. Polymere nanocomposieten zijn in het bijzonder interessant vanwege hun veerkracht in extreme ruimte-omgevingen. Vanwege hun robuuste mechanische, thermische, elektrische en optische eigenschappen bij productie onder aardse omstandigheden, zijn ze uitstekende materiaalkandidaten als functionele materialen voor toepassingen in de ruimte6. Nanocomposietpolymeren met nanodeeltjes van boor of lithium hebben mogelijkheden voor stralings- en omgevingsafscherming7. Nanocomposiet-polymeercapacitoren bieden energieopslag met een hoge dichtheid voor ruimtevoeding of fase-overgangseigenschappen voor thermische bescherming van ruimtevaartuigen8,9. Deze nanodeeltjesadditieven binnen het nanocomposietmengsel kunnen de interne spanningsrespons en microstructuurontwikkeling tijdens het uitharden beïnvloeden10. Het vastleggen van deze spanningsontwikkeling in situ vereist echter een deeltjessysteem met goed vastgestelde optische of spectrale signaturen. Alumina werd daarom gekozen als modeldeeltjessysteem vanwege het goed vastgestelde vermogen voor spanningsmeting met behulp van optische en diffractiegebaseerde technieken. In het bijzonder kan alumina worden geanalyseerd met fotoluminescentiespectroscopie (PL) en synchrotron röntgendiffractie (XRD), welke beide in dit werk zijn gebruikt om spectrale veranderingen te evalueren die de door uitharding geïnduceerde spanning in fotopolymeer-nanocomposieten weerspiegelen.
Piezospectroscopie is gebaseerd op de stressafhankelijke fotoluminescentierespons van materialen zoals chroom-gedopeerd α-alumina. Wanneer alumina door een laser wordt aangestuurd, zenden chroomionen Cr3+ binnen de kristalstructuur van het alumina karakteristieke luminescentiepieken uit. Deze staan bekend als R-lijnen en verschijnen als twee scherpe, dicht bij elkaar gelegen pieken, gewoonlijk aangeduid als R1 en R2 (Figuur 1D).
Figuur 1. PL-opstelling en meetprincipe voor uitharding met en zonder contact. (A) Conditie met contact, waarbij de hars in een mal is geplaatst tijdens UV-uitharding en PL-detectie. (B) Conditie zonder container, waarbij de harsdruppel is gesuspendeerd in het akoestische levitatieveld tijdens UV-uitharding en PL-detectie. (C) Fotopolymerisatie stolt de hars rond alumina-deeltjes en genereert lokale compressiespanning. (D) De overgedragen compressiespanning verschuift de fotoluminescentiepiek van alumina ten opzichte van de initiële spanningsvrije positie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
De Cr3+ ionen vervangen aluminiumionen binnen de trigonale kristalstructuur van α-alumina, waardoor de luminescentierespons gevoelig wordt voor veranderingen in de lokale spanningstoestand11. Onder toegepaste of residuele spanning verschuiven de posities van de R-lijnpieken ten opzichte van hun spanningsvrije posities. Deze spanningsafhankelijke verschuiving staat bekend als het piezospectroscopisch effect en biedt een directe methode om gemeten piekverschuivingen te relateren aan de lokale spanning rond alumina-deeltjes.
Synchrotron röntgendiffractie biedt een complementaire methode voor het evalueren van residuele rek en spanning in alumina-bevattende materialen. XRD is op grote schaal gebruikt om residuele spanningen in alumina-keramiek te bestuderen12,13,14 en maakt niet-destructieve meting van veranderingen in de roosterafstand in kristallijne materialen mogelijk15. In deze studie werd de diffractierespons van aluminadeeltjes gebruikt om veranderingen in de roosterafstand tijdens het uitharden te volgen. Deze veranderingen in de roosterafstand kunnen worden gerelateerd aan rek en, met behulp van geschikte elastische constanten, aan spanning.
Nadat alumina als modelsysteem was vastgesteld, verdient de keuze om twee onafhankelijke karakteriseringstechnieken te koppelen een toelichting. Zowel PL als XRD bieden onafhankelijke informatie over spanning en rek in alumina-houdende systemen, maar de combinatie van beide technieken in deze studie biedt voordelen die met geen van beide technieken afzonderlijk kunnen worden bereikt. PL kan de optische luminescentierespons van alumina op partikelniveau volgen met een hoge temporele resolutie en is zeer geschikt om de snelle spanningsontwikkeling tijdens de vroege fasen van UV-uitharding te monitoren. XRD biedt crystallografische validatie van de PL-resultaten door onafhankelijk dezelfde onderliggende spanningstoestand te onderzoeken via veranderingen in de roosterafstand van alumina. Omdat beide metingen op hetzelfde materiaalsysteem en onder dezelfde contactvrije uithardingscondities worden uitgevoerd, vergroot de overeenstemming tussen de twee datasets het vertrouwen in de waargenomen trends van de piekverschuiving als indicatoren voor restspanning. De combinatie van de twee technieken biedt een vollediger en betrouwbaarder beeld van de spanningsontwikkeling door uitharding in alumina-gevulde fotopolymeer-nanocomposieten dan elke methode afzonderlijk zou kunnen bieden.
Bovendien is synchrotron XRD vanuit een praktisch perspectief afhankelijk van grootschalige facilitaire infrastructuur die niet beschikbaar is in een ruimteomgeving, en is het daarom niet geschikt voor in situ monitoring tijdens feitelijke productieprocessen in de ruimte. Aan de andere kant is PL een compacte, draagbare en in het veld inzetbare techniek die realistisch gezien kan worden gebruikt tijdens toekomstige ruimtemissies met een lange duur. Dit werk vormt een validatie van de PL-metingen ten opzichte van de synchrotron XRD-resultaten in deze laboratoriumstudie, en bevestigt de betrouwbaarheid van PL als een zelfstandige tool voor spanningsmonitoring die de primaire karakteriseringsmethode kan zijn wanneer XRD niet toegankelijk is, zoals bij productieprocessen aan boord van een ruimtevaartuig of een planetaire buitenpost.
Deze technieken bieden de mogelijkheid om de evolutie van spanningen tijdens het uitharden te detecteren; variaties in de eigenschappen en prestaties van nanocomposieten wanneer deze onder microzwaartekrachtomstandigheden worden gefabriceerd, zijn echter nog niet volledig gekarakteriseerd. Het is fundamenteel om te begrijpen hoe ruimteomstandigheden het uitharden van polymere nanocomposieten beïnvloeden, aangezien dit direct van invloed is op veranderingen in eigenschappen of prestaties in vergelijking met nanocomposieten die onder aardse omgevingsomstandigheden zijn uitgehard. Onderzoek naar dit proces biedt inzicht in het ontwerp van structurele en functionele materialen via productie in de ruimte16,17,18,19,20,21.
Het is duidelijk dat productie in de ruimte en op aarde verschillen in hun omgevingscondities. Dit motiveert de noodzaak van een unieke, betrouwbare en toegankelijke speciale opstelling op aarde om de ruimtecondities te simuleren die nodig zijn om de eigenschappen en prestaties van in de ruimte geproduceerde materialen te ontwerpen en te valideren. De condities die nodig zijn om ruimte-omgevingen te simuleren zijn thermische cycli, vacuüm, straling en microzwaartekracht. Deze beïnvloeden de uithardingsdynamiek, de microstructurele evolutie, evenals de binding en dispersie van de nanodeeltjes. Inzicht in deze effecten zal vooruitgang en ontwikkeling mogelijk maken naar betrouwbare productie in de ruimte, wat de veiligheid en levensduur van ruimtemissies zal verbeteren en tegelijkertijd de relevante verwerkingscondities zal bieden voor het creëren van nieuwe materiaalfuncties.
Akoestische levitatie is een praktische op land gebaseerde testmethode die wordt gebruikt om verwerking in microzwaartekracht te simuleren door een containerloze omgeving te faciliteren. Het is niet gelijk aan microzwaartekracht. Het leviterende object wordt ondersteund door een niet-uniforme akoestische stralingskracht die de zwaartekracht tegenwerkt, in plaats van te bestaan in een werkelijk omgeving met verminderde zwaartekracht. Het verwijdert echter de mechanische beperking die wordt opgelegd door een mal of containerwand, wat de specifieke conditie van belang is voor deze studie. Deze techniek wordt veelvuldig gebruikt in het vakgebied van de materiaalkunde, chemie, biologie, bio-engineering en andere wetenschappen16,22,23,24,25,26,27. Akoestische levitatie genereert akoestische stralingsdruk die wordt geproduceerd door geluidsgolven, waardoor een object in de lucht kan zweven23 en een containerloze omgeving wordt geboden om de uithardingsdynamiek te onderzoeken zonder door de container veroorzaakte mechanische beperking. De hoge temporele resolutie die zowel door spectroscopie als synchrotron röntgendiffractie wordt geboden, maakt dit ideale technieken voor het bestuderen van de relatief korte tijdsbestekken die geassocieerd worden met het fotopolymeer-uithardingsproces. Dit werk is bijzonder relevant voor microzwaartekracht, aangezien het een fundamentele uitdaging in de materiaaleverwerking voor productie in de ruimte adresseert: hoe de afwezigheid van containers, een conditie die inherent aanwezig is in microzwaartekracht, de residuele stress-toestand van een uithardend nanocomposiet beïnvloedt. De hier bestudeerde containerloze conditie dient als een op land gebaseerde analoog voor verwerking in microzwaartekracht, en de kwantitatieve vergelijking van spectrale veranderingen die stressontwikkeling reflecteren tussen contact- en containerloze uitharding biedt direct inzicht in hoe materiaaleigenschappen kunnen verschillen wanneer hetzelfde nanocomposiet-systeem in de ruimte versus op aarde wordt geproduceerd. Dit artikel beschrijft de methoden die akoestische levitatie integreren met krachtige in situ spectroscopie en röntgendiffractie-karakterisering om de effecten van containerloze verwerking op de uitharding van een polymeer-nanodeeltjessysteem bestaande uit alumina-nanodeeltjes en fotopolymeer te onthullen.
Akoestische levitatie is eerder gecombineerd met beamline-technieken, waaronder energiedispersieve röntgendiffractie om kristallisatie in leviterende druppels te volgen28, synchrotron SAXS van geconcentreerde eiwitoplossingen29, en als platform voor monstertoevoer bij macromoleculaire röntgenkristallografie bij kamertemperatuur30,31. Deze studies waren echter gericht op kristallisatie, structurele karakterisering of monstertoevoer, in plaats van de tijdopgeloste evolutie van door uitharding geïnduceerde roosterrek tijdens polymerisatie. Voor zover de auteurs weten, is deze studie de eerste die akoestische levitatie combineert met tijdopgeloste in situ synchrotron XRD om de evolutie van roosterrek tijdens een actieve fotopolymerisatiereactie te volgen, samen met een direct vergelijkbare conditie met contact om het effect van de begrenzing door de wand van de houder op de door uitharding geïnduceerde restspanning te isoleren.
Op basis van de mechanische rol van de beperking door de containerwand bij het inperken van volumetrische krimp tijdens het uitharden, wordt verondersteld dat de aanwezigheid of afwezigheid van deze beperking meetbaar verschillende restspanningstoestanden in het uitgeharde nanocomposiet zal veroorzaken, waarbij wordt verwacht dat de conditie met contact hogere en meer beperkte restspanningen ontwikkelt dan de containerloze conditie, waarbij het monster in afwezigheid van een vaste begrenzing vrijer kan krimpen.
Protocol
Materiaalselectie
α-Aluminananopoeder werd gebruikt als keramische vulstof. Volgens de specificaties van de fabrikant heeft het poeder een korrelgrootte van ongeveer 40 nm, bepaald via röntgenlijnverbreding, een gemiddelde partikelgrootte (APS) van 150 nm, bepaald via BET-specifiek oppervlak en SEM, en een BET-multipunt specifiek oppervlak van ongeveer 10 m2/g. Op basis van eerdere studies naar partikeldispersie in gevulde fotopolymeer- en epoxysystemen32 bleek dat zeer lage alumina-gehalten (bijv. 5 vol%) een zwakke fotoluminescente respons en een slechte partikeldispersie veroorzaakten, waardoor ze ongeschikt waren voor optomechanische stresssensing, terwijl hogere gehalten (bijv. 20 vol%) leidden tot een aanzienlijke toename van de viscositeit, waardoor het mengsel moeilijk te injecteren en uniform te mengen was, ondanks een sterker signaal. Een concentratie van 15 vol% alumina werd daarom gekozen als compromis tussen produceerbaarheid, sensorgebruik en dispersiekwaliteit.
Experimentele opstelling
Opstelling van het draagbare piezospectroscopiesysteem (PPS)
De PL-experimenten maakten gebruik van een eerder ontwikkeld Portable Piezospectroscopy (PPS)-systeem bestaande uit een InPhotonics Inc. RPB Raman-probe, een compacte, tweewegs glasvezelprobe voorzien van een dichroïsche spiegel en een op maat gemaakte objectieflens f/333,34. Het totale PPS-systeem omvat zowel hardware- als softwarecomponenten. De hardware bestaat uit een spectrograaf, een charge-coupled device (CCD), een laser, glasvezeloptiek en een computer33,34. Voor de software worden twee hoofdprogramma's gebruikt: MATLAB en LightField. MATLAB-gebaseerde programma's worden voornamelijk gebruikt voor de post-processing van gegevens, en LightField wordt gebruikt om de gegevens van de CCD te verzamelen. Figuur 1 toont de volledige experimentele opstelling voor beide uithardingscondities samen met het onderliggende meetprincipe, waarbij de contactconfiguratie (mal) en de containerloze configuratie (akoestische levitatie) worden geïllustreerd (Figuur 1A en Figuur 1B), de compressiespanning die in de aluminadeeltjes wordt gegenereerd bij stolling van de hars (Figuur 1C), en de bijbehorende verschuiving van de fotoluminescentiepiek die als indicator voor die spanning dient (Figuur 1D). In de containeropstelling was de malarmatuur gepositioneerd op dezelfde locatie als het centrum van het akoestische levitatieveld om een consistente geometrie tussen de twee configuraties te behouden. De UV LED-eenheid (golflengte 405 nm, nominaal vermogen 10 W, behuizing met IP66-classificatie) werd op een afstand van 6 cm van het monster geplaatst, en de glasvezelprobe werd op het monster gericht om het fotoluminescentiesignaal continu tijdens het uitharden te verzamelen. De UV LED werd zo gepositioneerd dat directe verlichting van de glasvezelprobe werd vermeden om vezelschade te voorkomen. Aluminafotoluminescentiepieken werden gedurende de tijd tijdens UV-uitharding verzameld, en piekverschuivingen werden gemonitord zoals weergegeven in Figuur 1D. Tijdens de fotopolymerisatie stolt de hars rondom de ingebedde aluminadeeltjes en treedt er polymerisatieshrinkage op, waardoor lokale compressiespanning wordt gegenereerd die wordt overgedragen op de aluminadeeltjes (Figuur 1C), wat ervoor zorgt dat de fotoluminescentiepiek verschuift ten opzichte van de initiële spanningsvrije positie. Piekposities werden vervolgens geëxtraheerd uit LightField, en de piekverschuiving werd in MATLAB berekend door elke piekpositie te vergelijken met de initiële piekpositie vóór UV-blootstelling.
Synchrotron röntgendiffractie-opstelling
Synchrotron röntgendiffractie-metingen (XRD) werden in situ uitgevoerd tijdens het uithardingsproces op de 6-ID-D beamline van de Advanced Photon Source bij het Argonne National Laboratory, VS. Figuur 2 presenteert de synchrotron XRD-opstelling voor zowel de contact- als de contactloze condities, samen met het meetprincipe dat laat zien hoe uithardingsgeïnduceerde spanning de roosterafstand van aluminiumoxide verandert, waardoor een detecteerbare piekverschuiving ontstaat (Figuur 2A–C).
Figuur 2. Synchrotron röntgendiffractie-opstelling en meetprincipe voor uitharding met en zonder contact. (A) Contactconditie waarbij de hars in een mal is geplaatst tijdens UV-uitharding en XRD-meting. (B) Containerloze conditie waarbij de harsdruppel is gesuspendeerd in het akoestische levitatieveld tijdens UV-uitharding en XRD-meting. (C) Door uitharding geïnduceerde spanning verandert de roosterafstand van alumina, wat leidt tot een verschuiving van de XRD-piek die wordt gebruikt om de rek tijdens de stoling te berekenen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Het monster werd bestraald met een parallelle bundel fotonen van 90,5 keV (overeenkomend met een golflengte van λ = 0,137 ˚A) met afmetingen van ongeveer 0,5 × 0,5 mm, gepositioneerd ongeveer in het centrum van het monster, zoals getoond in Figuur 2A,B. De afstand van monster tot detector werd ingesteld op ongeveer 1,5 m om de relevante aluminiumoxide-pieken vast te leggen. Ringvormige diffractiepatronen werden geregistreerd op een Varex XRD 4343RF flat-panel detector (matrix van 2880 × 2880 pixels, 150 µm pixelpitch) die in staat is tot real-time beeldvorming met hoge snelheid tot 15 fps. Gegevens werden verzameld gedurende een totale acquisitietijd van 600 s per experiment.
Net als bij de PPS-opstelling werden metingen uitgevoerd onder zowel contacterende als containerloze omstandigheden (Figuur 2A,B). De UV-LED werd op 6 cm van het specimen geplaatst, overeenkomstig de PPS-configuratie, en de malhouder en het leviterende specimen werden op dezelfde meetlocatie geplaatst om geometrische consistentie te waarborgen. De volledige opstelling werd op een lineair podium gemonteerd om de uitlijning van ofwel het contacterende specimen of de leviterende bead met de beamline mogelijk te maken indien nodig. De verschuivingen van de XRD-pieken werden vervolgens in de tijd gevolgd tijdens het UV-uitharden (Figuur 2C), aangezien door uitharding veroorzaakte spanning die wordt overgedragen op de ingebedde aluminadeeltjes een meetbare verandering in de roosterafstroom veroorzaakt.
Monstervoorbereiding
Aluminiumoxidepoeder werd in een bekerglas/mengvat in een volumepercentage van 15 vol% gemengd met vloeibare hars en geroerd met een roerstaf om een homogene dispersie van de aluminiumoxide-deeltjes te bevorderen, zoals geïllustreerd in Afbeelding 3A.
Figuur 3. Workflow voor monstervoorbereiding, dispenseren en in situ meting. (A) Aluminapoeder en vloeibare hars worden gemengd om een homogene nanocomposiet-slurry te bereiden. (B) De bereide slurry wordt gedispergeerd in ofwel het akoestische levitatieveld om een containerloze kraal te vormen, of in de siliconenvorm voor de contactconditie. (C) PL- en synchrotron-XRD-metingen worden uitgevoerd voor zowel containerloze als contact-uithardingscondities om spectrale veranderingen te vergelijken die residuele spanning en structurele evolutie weerspiegelen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
De formulering van de nanocomposiet-suspensie werd gedurende het gehele experiment op een magnetische roerder gehouden om de aluminiumoxide-deeltjes goed gedispergeerd te houden. Eenmaal gedispergeerd werd de suspensie in een doseerspuit geladen ter voorbereiding op de afgifte van het monster, zoals getoond in Figuur 3A. Voorafgaand aan elk experiment werd de bereide suspensie in een spuit geladen om deze in het akoestische levitatieveld of in de siliconenvorm te doseren.
Monsterdispensering en gecontroleerde levitatie
Voor de akoestische levitatieconditie (containerloos) werd de regio van de akoestische knoop vóór het dispenseren gelokaliseerd. De gevulde spuit werd onder een hoek van ongeveer 45° ten opzichte van het grondvlak gehouden (Figuur 3B), en de slurry werd langzaam in de levitator geïnjecteerd totdat een stabiele elliptische kraalvorm binnen het akoestische veld was bereikt, met een initieel gedispenseerd druppelvolume van ongeveer 5–7 µL, indien nodig aangepast afhankelijk van de akoestische veldomstandigheden die nodig waren om een stabiele kraal te behouden. Na succesvolle injectie werd de amplitude in de levitatiesoftware aangepast om de kraal te stabiliseren.
Afhankelijk van de meetmodaliteit werden twee verschillende configuraties van een enkelassige en een dubbelassige akoestische levitator van dezelfde fabrikant gebruikt. Beide configuraties werkten bij activering op een automatisch gekalibreerde resonantiefrequentie van ongeveer 22.400–22.450 Hz, waarbij de werkfrequentie werd vastgesteld door de automatische kalibratie van het apparaat en niet handmatig was ingesteld. Voor synchrotron-XRD-experimenten bij het Argonne National Laboratory (ANL) werd een enkelassige configuratie gebruikt, bestaande uit één ultrasone transducer boven één reflector, waarbij de afstand tussen transducer en reflector was vastgesteld volgens de standaardopstelling van de fabrikant van de levitator. Voor PPS-experimenten werd een dubbelassige configuratie gebruikt, bestaande uit twee tegenover elkaar geplaatste ultrasone transducers (boven en onder), waarbij de afstand tussen de transducers eveneens was vastgesteld volgens de standaardopstelling van de fabrikant.
In beide configuraties werden de locatie van de akoestische knoop en de positie van het specimen binnen het veld consistent gehouden voor replicate specimens binnen een sessie: de positie van het eerste gedispenseerde specimen werd ingesteld met de uitlijnlasergeleider, en daaropvolgende specimens werden op dezelfde referentiepositie gedispenseerd, zodat de focus van de bundel en de probe voor elk nieuw specimen niet opnieuw vastgesteld hoefde te worden.
Voor het XRD-enassysteem werd de amplitude verhoogd totdat de door de levitator uitgezonden akoestische toon hoorbaar was, waarna de slurry via een spuit in de knoop werd geïnjecteerd. De amplitude werd vervolgens aangepast om een stabiele levitatie te ondersteunen.
Voor het PPS-dubbelassysteem werden de amplitudes van de bovenste en onderste transducer onafhankelijk van elkaar via de software aangepast totdat de kraal stabiel was gevangen; deze werden voor de rest van een specifieke uithardingsronde niet actief opnieuw bijgesteld.
In beide configuraties werd de levitatieconditie als acceptabel beschouwd wanneer de beweging van de kraal rond het knooppunt het monster niet uit de focus van de meetstraal bracht: voor XRD moest de kraal uitgelijnd blijven binnen de ~500 µm x-straalvoetafdruk op de meetlocatie (zie Synchrotron X-ray Diffraction Setup); voor PPS moest de kraal binnen de brandpuntsvlak van de glasvezelprobe blijven, wat werd bevestigd door de voortdurende detectie van een heldere, goed gedefinieerde aluminiumoxide-fotoluminescentiepiek in de live acquisitiesoftware.
Voor de contactconditie (siliconenvorm) werd de slurry met de gevulde spuit direct in de vorm aangebracht, zoals ook geïllustreerd in Figuur 3B. De holte van de vorm mat 3 × 3 × 2 mm en de slurry werd zo gedoseerd dat het volume van de vorm volledig werd gevuld (~10,5 μL). Overtollige slurry werd van het oppervlak van de vorm verwijderd en de vorm werd afgedekt met een glazen plaat. Vervolgens werden PL- en XRD-experimenten uitgevoerd voor zowel de containerloze als de contactcondities, zoals weergegeven in Figuur 3C. Elk experiment werd herhaald om de vergelijkbaarheid en reproduceerbaarheid te waarborgen.
In situ gegevensverzameling
Fotoluminescentiespectroscopie
Nadat het monster in ofwel het akoestische levitatieveld of de mal was geplaatst, werd de laser ingeschakeld; gedurende alle laseroperaties werd een veiligheidsbril gedragen. Het brandpunt werd geoptimaliseerd met LightField-software om het sterkste signaal te identificeren, wat visueel werd bevestigd als de kleinste en helderste laserplek op het monster. De verzameling van de fotoluminescentiepiek van alumina begon voorafgaand aan de UV-blootstelling, waarbij elke 0,5 s pieken werden geregistreerd. Na 5 s van de pre-UV baseline-verzameling werd de UV-LED geactiveerd en ging de gegevensverzameling 5 min door om volledige uitharding van het monster te garanderen. Na uitharding werd de UV-LED uitgeschakeld. Voor de containerloze conditie werd de uitgeharde kraal in een houder opgevangen; voor de contactconditie werd het uitgeharde monster met een pincet uit de siliconenmal verwijderd. Direct contact met de monsters werd gedurende het hele proces vermeden om contaminatie en huidirritatie te voorkomen.
Synchrotron röntgendiffractie
Na het plaatsen van het specimen werd de röntgenstraal uitgelijnd met het centrum van het specimen: het centrum van de leviterende kraal voor de containerloze conditie en het centrum van het specimen in de mal voor de contactconditie. De experimentele hutch werd gesloten voordat de röntgenstraal werd geactiveerd. De röntgenstraal en de UV-LED werden gelijktijdig ingeschakeld en diffractiegegevens werden verzameld tijdens het gehele UV-uithardingsproces. De gegevensverzameling liep door totdat het specimen volledig was uitgehard; in deze studie werden gedurende 10 min gegevens verzameld om het volledige relevante bereik vast te leggen. Na de uitharding werden de UV-LED en de röntgenstraal uitgeschakeld en werden de specimens verzameld zoals beschreven voor de spectroscopie-opstelling, waarbij direct contact werd vermeden om contaminatie en huidirritatie te voorkomen.
Data-analyse
Methode voor het fitten van fotoluminescentiepieken
Ruwe fotoluminescentiespectra met de R1- en R2-pieken van alumina (Figuur 4A) werden geëxtraheerd uit de volledige uithardingsdataset en geïmporteerd in MATLAB voor post-processing.
Figuur 4. Workflow voor data-analyse van PL- en synchrotron XRD-metingen. (A) PL-spectra worden verwerkt door achtergrondverwijdering en pseudo-Voigt-fitting van de alumina R1- en R2-pieken om de piekposities tijdens het uitharden te extraheren. (B) Synchrotron XRD-diffractieringen worden getransformeerd en geïntegreerd tot een eendimensionaal diffractieprofiel, gevolgd door pseudo-Voigt-fitting van de alumina (116)-piek om de piekpositie te extraheren en de door uitharding geïnduceerde rek te berekenen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Achtergrondruis werd uit elk spectrum verwijderd en de schuine basislijn werd gecorrigeerd om ongeveer gelijk te lopen met de x-as. Pseudo-Voigt-fitting werd toegepast op de fotoluminescentiepieken van aluminiumoxide om de R1- en R2-pieken nauwkeurig te fitten35. De pieken werden gefit aan een pseudo-Voigt-functie met behulp van een beperkt niet-lineair optimalisatiealgoritme (fmincon), waarbij oppervlakte, centrumpositie, FWHM en een vormfactor (0 = zuiver Gaussisch, 1 = zuiver Lorentziaans) de vier vrije parameters per piek (R1 en R2) waren. Een lineaire achtergrond, gefit op de ruwe intensiteit bij 14300 en 14500 cm⁻1, werd vóór het fitten van elk spectrum afgetrokken. Initiële schattingen van de parameters werden direct afgeleid uit elk gladgestreken, basislijn-gecorrigeerd spectrum, en de fit-grenzen werden ingesteld als een percentagebereik rond elke initiële schatting (oppervlakte: 50–150%; FWHM: 60–180%). De kwaliteit van de fit werd beoordeeld met de genormaliseerde root-mean-square error (NRMSE). Gefitte piekposities werden geëxtraheerd bij elk tijdstip gedurende het uithardingsproces, en piekverschuivingen werden berekend door elke gefitte positie te vergelijken met de initiële waarde vóór UV-blootstelling.
XRD-piekfitmethode
Tweedimensionale diffractiebeelden werden geïmporteerd in de XRD-verwerkingssoftware of MATLAB voor analyse. XRD-gegevens kunnen worden geanalyseerd om informatie te verkrijgen over materiaalsspanning36,37,38. Diffractieringen van de aluminadeeltjes werden geïdentificeerd (Figuur 4B), en de ring die overeenkomt met de alumina (116) piek werd geselecteerd op basis van de helderheid voor het volgen van veranderingen in de roosterruimte. Het direct identificeren van de ringen in het 2D-diffractiebeeld in deze fase diende als een kwalitatieve controle van de datakwaliteit voorafgaand aan de integratie, ter bevestiging van volledige en continue ringen (wat wijst op uniforme specimenverlichting en de afwezigheid van beam clipping), een correcte detectoralignment en centerpositie, en de afwezigheid van parasitaire verstrooiing of spurieuze kenmerken die het geïntegreerde profiel zouden kunnen vervormen. Zodra de ringkwaliteit was bevestigd, werd de geselecteerde ring omgezet in een azimuthaal getransformeerd beeld en geïntegreerd over het volledige azimuthale bereik van 360° om een eendimensionaal diffractieprofiel te verkrijgen, dat vervolgens werd gebruikt voor kwantitatieve piekpositie-fitting om de d-afstand te extraheren en de uithardingsgeïnduceerde spanning te berekenen. De alumina (116) piek in het geïntegreerde profiel werd gefit met een pseudo-Voigt-functie om de piekpositie te bepalen, en werd vervolgens geëxtraheerd bij elk diffractieframe tijdens het uitharden. Pieken werden gefit met behulp van een niet-lineair kleinste-kwadratenalgoritme (lsqnonlin) aan een pseudo-Voigt-functie, met intensiteit, centerpositie, breedte (FWHM) en vorm (Gaussian-to-Lorentzian ratio) als fitparameters. Een lineaire achtergrond werd van elk spectrum afgetrokken vóór de fitting. Fits waren begrensd met een convergentietolerantie van 10⁻4. De verandering in roosterruimte werd berekend uit de gefitte piekposities met behulp van de wet van Bragg:
waarbij d de roosterconstante is, n de diffractie-orde, λ de röntgenwavelength en θ de Bragg-hoek. Voor een directe vergelijking met standaard alumina-referentiediffractiepatronen, die conventioneel worden geïndexeerd met Cu Ka-straling, werden de gemeten d-waarden aanvullend gebruikt om via de wet van Bragg een equivalente 2θ-waarde te berekenen die correspondeert met Cu Ka-straling λ = 1,54056 Å. Deze conventionele equivalente 2θ-schaal, in plaats van de oorspronkelijke synchrotron 2θ-schaal (λ = 0,137 Å), wordt gebruikt voor de diffractiehoek-as. De door uitharding geïnduceerde spanning werd vervolgens berekend door de roosterconstante op elk tijdstip te vergelijken met de beginwaarde vóór UV-blootstelling:
waarbij dt = n s de roosterconstante is bij elk tijdspunt tijdens het uitharden en d0 de initiële roosterconstante is vóór UV-blootstelling.
Resultaten
Resultaten van fotoluminescentiespectroscopie
De PL-respons in de beginfase geeft inzicht in hoe uithardingsgeïnduceerde stress zich ontwikkelt onder contacterende en containerloze omstandigheden. Figuur 5 toont de gemiddelde evolutie van de posities van de fotoluminescentiepiek van alumina over de eerste 20 s voor beide omstandigheden, waarbij de pre-UV basislijn, de snelle afname van het golfgetal die direct na UV-blootstelling optreedt, en het daaropvolgende gedeeltelijke herstel naarmate de uitharding vordert, worden vastgelegd.
Figuur 5. Gemiddelde PL-resultaten die de evolutie van het golfgetal in de beginfase tijdens UV-uitharding laten zien.De positie van de fotoluminescentiepiek van alumina werd gemiddeld over drie replica-monsters (n = 3) per conditie en gevolgd gedurende de eerste 20 s van uitharding onder contact- en containerloze condities. Foutenbalken vertegenwoordigen de standaarddeviatie tussen de monsters. De eerste 5 s vertegenwoordigen de pre-UV baseline, gevolgd door UV-blootstelling, een snelle door uitharding geïnduceerde afname van het golfgetal als gevolg van compressieve stress-overdracht van de stollende hars naar de ingebedde alumina-deeltjes, en een daaropvolgend gedeeltelijk herstel naarmate het polymeernetwerk stabiliseert. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Voor PL werden per conditie drie onafhankelijke monsters (n = 3) gemeten. De ruwe gegevens voor alle drie de replica's per conditie zijn opgenomen in de verklaring over de beschikbaarheid van gegevens.
De eerste 20 s van het uitharden zijn bijzonder belangrijk omdat de grootste verandering in het golfgetal tijdens deze periode plaatsvindt, wat erop wijst dat de snelste spanningsontwikkeling kort na het begin van de UV-blootstelling optreedt. Vóór de UV-blootstelling vertonen de twee condities verschillende initiële golfgetallen. Dit verschil tussen de condities vóór UV-blootstelling is 0,660 cm-1 (gemiddeld initieel golfgetal van 14402,01 ± 0,028 cm-1 voor containerloos en 14401,350 ± 0,009 cm-1 voor contacterend, n = 3). Alle daaropvolgende waarden voor de piekverschuiving die in deze studie worden gerapporteerd, zijn berekend ten opzichte van de eigen basislijn vóór UV-blootstelling van elk exemplaar.
Nadat de UV-LED na 5 s is ingeschakeld, fotopolymeert de hars snel en begint deze te stollen rondom de ingebedde aluminiumoxidedeltjes, waarbij de aluminiumoxidepiek dienovereenkomstig verschuift naar een lager golfgetal. Het specimen in contact met het oppervlak vertoont een snellere afname van het golfgetal tussen ongeveer 5 en 7 s. In tegenstelling hiermee vertoont het containerloze specimen een geleidelijker afname, wat wijst op een tragere stressontwikkeling zonder beperking door de wand van de mal.
Na deze snelle afname bereiken beide condities een minimum gemiddeld golfgetal en vertonen ze vervolgens een gedeeltelijk herstel naar een hoger golfgetal naarmate de uitharding vordert. De conditie met contact bereikt haar minimum eerder en vertoont een kleiner, geleidelijker herstel, waarbij ze relatief stabiel blijft gedurende de rest van het venster van 20 s. De containerloze conditie bereikt haar minimum iets later en vertoont een meer uitgesproken herstel dat rond 14 s begint.
Alle PL-metingen voldeden aan de criteria voor een succesvolle acquisitie: een duidelijk, goed opgelost R1/R2-dubbellet met een hoge signaal-ruisverhouding gedurende de gehele acquisitie, en een continue uitlijning van het monster binnen de brandpuntsvlek van de glasvezelsonde gedurende de volledige uithardingstijd. Geen enkel monster werd uitgesloten van de gerapporteerde dataset. Een suboptimaal resultaat, gekenmerkt door gedeeltelijk signaalverlies door drift van het kraaltje buiten de brandpuntsvlek van de sonde of een vervormde basislijn die extra achtergrondcorrectie vereiste, is in deze studie niet waargenomen, maar wordt hier vermeld ter ondersteuning van de reproduceerbaarheid.
Morfologie van containerloze monsters tijdens gecontroleerde levitatie
De beeldreeks van het containerloze specimen in de beginfase helpt bij het verklaren van de fysieke reactie van de leviterende harskraal tijdens UV-uitharding. Figuur 6 toont de morfologie van de kraal op opeenvolgende tijdstippen vanaf de vloeibare toestand via gelering tot snelle stolling, waarbij de volledige vormevolutie van UV-activatie tot de stabiele vaste toestand bij 60 s wordt vastgelegd, met een uiteindelijke kraalafmeting van 2,5 × 2,5 × 1,4 mm.
Figuur 6: Representatieve vormevolutie van een leviterend harskraaltje tijdens UV-uitharding. Het kraaltje blijft vloeibaar vóór UV-blootstelling, geleert na ongeveer 1 s, ondergaat een zichtbare vormverandering tijdens snelle stolling tussen 2–5 s, en bereikt een stabiele vaste toestand tegen 6 s zonder verdere veranderingen tot 60 s. Finale afmeting van het uitgeharde kraaltje: 2.5 × 2.5 × 1.4 mm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Vóór de UV-blootstelling blijft de kraal, aangezien deze vloeibaar is, glad en afgerond terwijl deze in het akoestische veld zweeft. Nadat de UV-LED is geactiveerd, begint de kraal binnen de eerste 1–2 s te geleren. Tussen 3 en 5 s verandert de vorm van de kraal duidelijker; deze raakt enigszins vervormd en wordt minder glad. Na ongeveer 6 s is de kraal grotendeels solide en verandert de vorm niet veel meer. Van 6 tot 60 s blijft de kraal relatief stabiel, wat aantoont dat de belangrijkste uitharding en vormverandering plaatsvinden in de eerste paar seconden na UV-blootstelling.
Een succesvolle containerloze run werd gekenmerkt door een kraal die gedurende de gehele gelering en stolling binnen de akoestische knoop en het beeldveld bleef, waardoor de morfologie op elk tijdstip kon worden vastgelegd. Een zekere beweging en verschuiving van de kraal tijdens het uitharden is te verwachten, aangezien de verandering in massaverdeling en oppervlakte-eigenschappen tijdens de gelering en stolling de mechanische respons op het akoestische veld beïnvloedt. Een suboptimaal resultaat, waarbij sprake is van beweging of drift die ernstig genoeg is om de kraal volledig uit het beeldkader of de akoestische knoop te verplaatsen, werd in deze studie niet waargenomen, maar wordt hier vermeld ter ondersteuning van de reproduceerbaarheid.
Resultaten van synchrotron röntgendiffractie
De diffractieprofielen vergelijken puur aluminiumoxidepoeder met de specimens die 10 min zijn uitgehard onder oppervlakcontact- en containerloze uithardingscondities. Figuur 7 toont de volledige diffractieprofielen voor alle drie de specimens, samen met een ingezoomd beeld van de (116) piek, waarbij de verschuiving in de 2θ-positie direct de grootte van de door uitharding geïnduceerde roosterrek in elke conditie weerspiegelt.
Figuur 7. Representatieve XRD-piekverschuiving na UV-uitharding. XRD-profielen van puur aluminiumoxidepoeder en gedurende 10 min uitgeharde monsters in contact met de container en zonder container worden vergeleken, waarbij de diffractiehoek-as wordt weergegeven als een equivalente conventionele hoekschaal voor vergelijking met standaard aluminiumoxide-referentiepatronen, in plaats van de oorspronkelijke synchrotron-schaal. De ingezoomde aluminiumoxide-piek vertoont de grootste verschuiving voor het monster in contact met de container, wat consistent is met een hogere door uitharding veroorzaakte residuele spanning. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
De alumina (116) piek werd geselecteerd voor de analyse van de piekverschuiving omdat deze een duidelijke piek biedt om veranderingen in de roosterafstand te volgen. In het uitvergrote (116) gebied vertoont het met contact behandelde specimen de grootste piekverschuiving vergeleken met het zuivere aluminapoeder. Het containerloze specimen vertoont ook een piekverschuiving, maar deze verschuiving is kleiner dan die van het met contact behandelde specimen. Deze trend komt overeen met de PL-resultaten, waarbij de conditie met contact een grotere stressgerelateerde piekverschuiving vertoonde dan de containerloze conditie. Daarom ondersteunen zowel de PL- als de XRD-resultaten dat de uithardingsomgeving de ontwikkeling van restspanning in het alumina-gevulde fotopolymeer-nanocomposiet beïnvloedt.
Voor XRD werden drie onafhankelijke monsters (n = 3) per conditie gemeten. De ruwe gegevens voor alle drie de replica's per conditie zijn opgenomen in de verklaring over de beschikbaarheid van gegevens. Figuur 7 toont één representatief monster per conditie; over de drie replica's heen was de gemiddelde positie van de uiteindelijke (116) piek 57,523° ± 0,042° 2θ (conventioneel) voor de containerloze conditie en 57,786° ± 0,152° 2θ (conventioneel) voor de gecontacteerde conditie, wat consistent is met de representatieve trend getoond in Figuur 7.
Een succesvolle XRD-meting werd gekenmerkt door een bolletje dat gedurende het uithardingsproces binnen de voetafdruk van de röntgenstraal bleef, wat leidde tot volledige, continue diffractieringen die geschikt waren voor azimuthale integratie en piekfitting. Een suboptimale uitkomst trad op wanneer beweging van het bolletje binnen het akoestische veld het monster uit de voetafdruk van de straal verplaatste, wat resulteerde in onvolledige of afgesneden diffractieringen.
BESCHIKBAARHEID VAN GEGEVENS:
De dataset die de bevindingen van deze studie ondersteunt, is gedeponeerd in de Zenodo-repository en is publiekelijk toegankelijk via https://doi.org/10.5281/zenodo.20498417. De geüploade datasets zijn verkregen met behulp van twee methoden: fotoluminescentiespectroscopie en synchrotron röntgendiffractie. De gegevens zijn in situ verzameld tijdens het uitharden van nanocomposieten in een akoestische levitator.
Discussie
Mechanische voorbelasting vóór UV-bestraling in de contacttoestand
Het lagere initiële golfgetal dat werd waargenomen in het gecontacteerde specimen (Figuur 5) suggereert dat er mogelijk al spanningen zijn geïntroduceerd vóór het uitharden, waarschijnlijk als gevolg van de monstervoorbereiding, beperking door de mal of interactie met het dekglas. Omdat het gecontacteerde specimen vóór het uitharden is omsloten door zowel de siliconenmal als het dekglas, terwijl het containerloze specimen zonder enig solide contact in het akoestische veld is gedoseerd, wordt het lagere initiële golfgetal in de gecontacteerde conditie toegeschreven aan een compressieve mechanische belasting die op het specimen is uitgeoefend tijdens de omsluiting door de mal en het dekglas. Deze offset is aanwezig voordat de UV-blootstelling begint en weerspiegelt daarom een mechanisch preloading-effect in plaats van een proces gerelateerd aan het uitharden. De reeds bestaande offset beïnvloedt dus niet de gerapporteerde evolutie van de piekpositie binnen elke conditie, maar het betekent wel dat de twee condities beginnen met het uitharden vanuit verschillende absolute golfgetaltoestanden; dit moet worden meegewogen bij het vergelijken van absolute golfgetalwaarden tussen condities in plaats van hun tijdsafhankelijke evolutie.
Snelheid en herstel van stress-evolutie tijdens het uitharden
Het specimen in contact met de wand vertoont een snellere afname van het golfgetal tussen ongeveer 5 en 7 s (Figuur 5), wat wijst op een snellere spanningsopbouw en harsuitharding onder de door de mal beperkte conditie, terwijl het containerloze specimen een geleidelijkere afname vertoont, wat suggereert dat de spanningsontwikkeling trager verloopt in afwezigheid van een containerbeperking. De daaropvolgende gedeeltelijke herstelwaarde die in beide condities wordt waargenomen, is consistent met gedeeltelijke spanningsrelaxatie naarmate het polymeernetwerk stabiliseert. Het eerdere, kleinere herstel bij de conditie met wandcontact en het latere, meer uitgesproken herstel bij de containerloze conditie zijn consistent met een grotere spanningsrelaxatie in afwezigheid van containerbeperking.
Kralenmorfologie als bewijs voor uithardingskinetiek
De sequentie van de bolletjesmorfologie (Figuur 6) helpt dit gedrag op microstructuurniveau te verklaren. Voor de UV-blootstelling blijft het bolletje in vloeibare toestand. Gelering vindt plaats bij ongeveer 1 s, wat het punt markeert waarop de hars een vast netwerk begint te vormen. Tussen 2 en 5 s ondergaat het bolletje een snelle stolling vergezeld van een zichtbare vormverandering, aangezien de hars uithardt terwijl het bolletje nog in beweging is binnen het akoestische veld; zodra de hars voldoende vast is geworden, kan deze niet meer ontspannen naar zijn oorspronkelijke ronde vloeibare vorm, waardoor een deel van deze vervorming wordt vastgelegd. Bij ongeveer 6 s bereikt het bolletje een stabiele vaste toestand zonder verdere vormverandering tot 60 s, wat aangeeft dat het grootste deel van de uithardingsgerelateerde vormverandering beperkt is tot de eerste seconden na de UV-blootstelling.
Storende factoren tussen uithardingscondities
Hoewel de hogere residuele spanning die is waargenomen bij de contactconditie consistent is met de aanwezigheid van een starre wandbeperking die ontbreekt bij de containerloze conditie, onderscheiden andere factoren de twee uithardingsomgevingen en zijn deze in deze studie niet onafhankelijk geïsoleerd. De UV-golflengte en de afstand van de UV-led tot het monster werden voor beide condities constant gehouden, waardoor deze niet bijdragen aan het waargenomen verschil. Factoren zoals zuurstofinhibitie op blootgestelde oppervlakken, de oppervlakte-volumeratio van het monster, warmteoverdracht en -afvoer, verdampingsverlies, monstergeometrie en uithardingskinetiek kunnen echter verschillen tussen de twee condities en zijn in dit werk niet onafhankelijk gescheiden. In datzelfde verband verschilt de uiteindelijke vorm van de druppel enigszins tussen de condities: het monster met contact is beperkt tot de schijfvormige geometrie van de siliconenvorm, terwijl het containerloze monster een ellipsoïde vorm aanneemt die wordt bepaald door het akoestische veld. Omdat de monstergeometrie zelf invloed kan hebben op lokale krimpgradiënten en het uithardingsgedrag, is dit vormverschil een verdere factor die in de huidige studie niet is geïsoleerd. De twee monstertypen blijven echter in globale grootte grotendeels vergelijkbaar en verschillen niet drastisch in vorm; toekomstig werk met overeenkomstige of gecontroleerde monstergeometrieën voor beide condities zou helpen om dit effect te scheiden van dat van de wandbeperking zelf. Opmerkelijk is dat dezezelfde factoren inherente verschillen zijn tussen productieomgevingen op aarde (vormbeperkt) en in de ruimte (containerloos), en geen louter experimentele artefacten zijn die geëlimineerd moeten worden. Het isoleren van de individuele bijdrage van elke factor viel buiten de reikwijdte van de huidige studie, die in plaats daarvan het netto spanningsverschil rapporteert tussen de contact- en containerloze uithardingsomgevingen als geheel.
Het is vermeldenswaard dat akoestische levitatie een mechanische randvoorwaarde zonder container reproduceert, maar geen volledige kopie is van een werkelijke microzwaartekrachtomgeving. De vorm van het leviterende kraalje bleef stabiel en reproduceerbaar tussen de specimens (Figuur 6), en er werd geen duidelijke bezinking van deeltjes waargenomen tijdens het uitharden; dit wijst erop dat elke interne stroming die door het akoestische veld werd gegenereerd om het specimen stabiel te leviteren, geen zichtbare verstoring van de morfologie van de kraaljes of de deeltjesverdeling veroorzaakte. De consistentie van de waargenomen trend over de replicate specimens, en over zowel PL als XRD, ondersteunt de conclusie dat de beperking door de containerwand de primaire drijver is van de verschillen die tussen de condities werden waargenomen.
De hier gepresenteerde resultaten en bevindingen tonen de impact van deze experimentele technieken aan bij het verkrijgen van toegankelijke grondgegevens die de effecten van containerloze omgevingen op de productie van nanocomposieten laten zien, voorafgaand aan missies in de ruimte voor productie met behulp van microzwaartekracht. Deze resultaten vormen een basis voor verdere optimalisatie van productieprocessen en materiaalsamenstellingen voor de ontwikkeling van functionele materialen voor ruimte-applicaties.
De consistent grotere piekverschuiving die werd waargenomen in de contactconditie vergeleken met de containerloze conditie, wat duidt op een hogere restspanning, heeft potentiële implicaties voor productie in de ruimte. Materialen die in microzwaartekracht worden verwerkt, zullen van nature uitharden in een containerloze staat, waardoor de restspanning in het uiteindelijke onderdeel zal verschillen van een identiek geformuleerd materiaal dat op aarde in een mal is geproduceerd. Restspanning is een bekende factor die bijdraagt aan de mechanische prestaties, dimensionale stabiliteit en langetermijnduurzaamheid in uitgeharde polymeercomposieten in bredere zin39,40,41,42; de huidige studie karakteriseert echter uitsluitend de evolutie van de restspanning en bevat geen mechanische tests van de uitgeharde monsters. De mate waarin de waargenomen spanningsverschillen zich vertalen in meetbare verschillen in mechanische prestaties of duurzaamheid moet daarom nog worden vastgesteld. Deze resultaten benadrukken desondanks de noodzaak om de verwerkingsomgeving te overwegen bij de kwalificatie van nanocomposietmaterialen voor ruimteapplicaties, en suggereren dat op aarde gebaseerde databases van materiaaleigenschappen, gebaseerd op in mallen uitgeharde monsters, de restspanningstoestand van hetzelfde materiaal dat onder containerloze, microzwaartekracht-relevante condities is geproduceerd, mogelijk niet volledig weerspiegelen. Directe mechanische karakterisering van monsters die onder beide condities zijn uitgehard, is een belangrijke richting voor toekomstig werk om dit verband vast te stellen.
Kritieke stappen en probleemoplossing
Twee aspecten van de containerloze monstervoorbereiding verdienen bijzondere aandacht voor de reproduceerbaarheid. Ten eerste is het behouden van een stabiele levitatie van de kraal tijdens het dispenseren gevoelig voor de akoestische amplitude: als de kraal aanzienlijk verschuift ten opzichte van de akoestische knoop, duidt dit erop dat de vangkracht uit balans is ten opzichte van de massa en positie van de kraal. In deze situatie moet de amplitude stapsgewijs worden verlaagd in plaats van in grote stappen, aangezien een verlaging onder het niveau dat nodig is voor het krachtenevenwicht ertoe zal leiden dat de kraal uit het veld valt. Amplitudeaanpassingen worden daarom bij voorkeur in kleine stappen uitgevoerd terwijl de stabiliteit van de kraal in real-time wordt gemonitord, in plaats van als één enkele correctieve stap.
Ten tweede is de betrouwbare loskoppeling van de suspensiedruppel van de spuitpunt naar de akoestische knoop gevoelig voor verschillende interagerende factoren, waaronder de viscositeit van de suspensie, oppervlaktespanning, puntdiameter, bevochtigingsgedrag, druppelvolume en vangsterkte. In deze studie werden druppels gescheiden van een 18-gauge spuitpunt (1,26 in lengte) uitsluitend met behulp van de akoestische stralingskracht, zonder handmatige scheiding, wat betrouwbaar was voor de gebruikte druppelvolumes en suspensieviscositeit. Lezers die dit proberen met een druppelgrootte die gelijk is aan of kleiner is dan de diameter van de spuitpunt, of met suspensies met een hogere viscositeit, kunnen merken dat de druppel onder invloed van alleen de akoestische trekkracht niet volledig van de punt loslaat. In dergelijke gevallen wordt aangeraden de viscositeit van de suspensie te verlagen of over te stappen op een spuitpunt met een grotere boring om een betrouwbare druppellading te bereiken.
Openbaarmakingen
De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende belangen hebben.
Dankbetuigingen
Dit materiaal is gebaseerd op werk ondersteund door National Science Foundation-beurs CMMI 2349931. Dit onderzoek is uitgevoerd op basis van APS-straaltijdtoekenning(en) (DOI: https://doi.org/10.46936/APS-191109/60014859) van de Advanced Photon Source, een gebruikersfaciliteit van het U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science, beheerd voor het DOE Office of Science door het Argonne National Laboratory onder Contract No. DE-AC02-06CH11357.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Alpha Alumina Powder | Inframat Advanced Materials | 26N-0802A | Aluminapoeder |
| d-SAL | Materials Development, Inc. (MDI) | - | Akoestische levitatie |
| Elegoo ABS-Like Photopolymer Resin | ELEGOO | X004C0BJT | Hars |
| INTLLAB MS-500 | INTLLAB | - | Magnetroerder |
| LightField | Teledyne Princeton Instruments, Trenton, NJ, USA | https://www.teledynevisionsolutions.com/en-in/products/lightfield/?model=LF&vertical=tvs-princeton-instruments&segment=tvs | |
| MATLAB | The MathWorks, Inc., Natick, MA, USA | https://www.mathworks.com/products/matlab.html |
Referenties
- Merancy N. et al. ESDMD-001: Moon to Mars architecture definition document | Revision C - 2025. National Aeronautics and Space Administration; Washington (DC); 2025 Dec. Report No.: NASA/TP-20250010956. Available from: http://www.sti.nasa.gov
- Denis G. et al. From new space to big space: How commercial space dream is becoming a reality. Acta Astronaut. 2020;166:431—443.
- Mueller RP. Lunar base construction planning [conference presentation]. Presented at: Earth and Space 2022. 2022:858–870.
- Duke MB, Mendell WW. Scientific investigations at a lunar base. Acta Astronaut. 1988;17(7):675—690.
- Wahl McDonnell Douglas Corp BW, Wahl McDonnell BW. Analysis of selected opportunities for manufacturing in space. Vol. 2. 1969. Available from: https://commons.erau.edu/space-congress-proceedings/proceedings-1969-6th-v2/session-11/2
- Naser MZ, Chehab AI. Polymers in space exploration and commercialization. In: AlMaadeed MAA, Ponnamma D, Carignano MA, eds. Polymer Science and Innovative Applications. Elsevier; 2020:457—484.
- Dmitriev RI. et al. Versatile conjugated polymer nanoparticles for high-resolution O2 imaging in cells and 3D tissue models. ACS Nano. 2015;9(5):5275—5288.
- Li X. et al. High-temperature capacitive energy storage in polymer nanocomposites through nanoconfinement. Nat Commun. 2024;15(1):6655.
- Amberkar T, Mahanwar P. Phase change material nanocomposites for thermal energy storage applications. Materials Proceedings. 2022;9(1):8.
- Harsch M, Karger-Kocsis J, Holst M. Influence of fillers and additives on the cure kinetics of an epoxy/anhydride resin. Eur Polym J. 2007;43(4):1168—1178.
- Stevenson A, Jones A, Raghavan S. Stress-sensing nanomaterial calibrated with photostimulated luminescence emission. Nano Lett. 2011;11(8):3274—3278.
- Sarioglu C, Schumann E, Blachere JR, Pettit FS, Meier GH. X-ray determination of stresses in alumina scales on high temperature alloys. Materials at High Temperatures. 2000;17(1):109—115.
- Leoni M, Scardi P, Sglavo VM. Relaxation of indentation residual stress in alumina: Experimental observation by X-ray diffraction. J Eur Ceram Soc. 1998;18(12):1663—1668.
- Abuhasan A, Balasingh C, Predecki P. Residual stresses in Alumina/Silicon Carbide (Whisker) composites by X-ray diffraction. J Am Ceram Soc. 1990;73(8):2474—2484.
- Noyan IC, Cohen JB. Residual Stress: Measurement by Diffraction and Interpretation. Springer; 2013.
- Jantananont P, et al. Characterizing UV resin curing with additives under simulated microgravity for in-space manufacturing. Presented at: AIAA SciTech 2026 Forum; 2026 Jan 8. doi:10.2514/6.2026-1047.
- de Hoffmann SI, Greenwood LJ, Raghavan S. The use of regolith simulant as a material for building functional sensors in extreme environments. Presented at: Regional Student Conferences, 2025; 2025. doi:10.2514/6.2025-99380.
- Sorgi Johann ML, et al. Investigating the Raman characteristics of regolith simulants towards the creation of functional materials. Presented at: AIAA SCITECH 2025 Forum; 2025:2501.
- Astacio J, et al. In-space manufacturing of functional sensors. Presented at: 75th International Astronautical Congress (IAC 2024), 2024 IAF Microgravity Sciences and Processes Symposium; Milan, Italy; 2024:538–544.
- Warren P, et al. Effect of sintering temperature on microstructure and mechanical properties of molded Martian and Lunar regolith. Ceram Int. 2022;48(23):35825—35833.
- Latorre P, et al., inventors; University of Central Florida Research Foundation, Inc., assignee. Manufacturing sensors using celestial body regolith. United States patent US 12,576,583 B2. 2026 Mar 17.
- Tuckermann R, et al. Chemical analysis of acoustically levitated drops by Raman spectroscopy. Anal Bioanal Chem. 2009;394(5):1433—1441.
- Li L, Gu N, Dong H, Li B, Kenneth TVG. Analysis of the effects of acoustic levitation to simulate the microgravity environment on the development of early zebrafish embryos. RSC Adv. 2020;10(72):44593—44600.
- Boudreaux T, et al. Biological acoustic levitation and its potential application for microgravity study. Bioengineering. 2025;12(5).
- Vashi A, Yadav AS, Nguyen NT, Sreejith KR. Parametric analysis of acoustically levitated droplet for potential microgravity application. Appl Acoust. 2023;213.
- Wilke SK, et al. Microgravity effects on nonequilibrium melt processing of neodymium titanate: Thermophysical properties, atomic structure, glass formation and crystallization. npj Microgravity. 2024;10(1):26.
- Bauser HC, et al. A study on the stability of ritonavir form III processed in orbit and returned to Earth. npj Microgravity. 2026;12(1).
- Leiterer J, et al. The use of an acoustic levitator to follow crystallization in small droplets by energy-dispersive X-ray diffraction. J Appl Crystallogr. 2006;39(5):771—773.
- Sønderby P, et al. Concentrated protein solutions investigated using acoustic levitation and small-angle X-ray scattering. J Synchrotron Radiat. 2020;27(2):396—404.
- Tsujino S, Tomizaki T. Ultrasonic acoustic levitation for fast frame rate X-ray protein crystallography at room temperature. Sci Rep. 2016;6(1):25558.
- Morris RH, et al. Non-contact universal sample presentation for room temperature macromolecular crystallography using acoustic levitation. Sci Rep. 2019;9(1):12431.
- Andrade MAB, Marzo A, Adamowski JC. Acoustic levitation in mid-air: Recent advances, challenges, and future perspectives. Appl Phys Lett. 2020;116(25):250501.
- Hanhan I, Durnberg E, Freihofer G, Akin P, Raghavan S. Portable piezospectroscopy system: Non-contact in situ stress sensing through high resolution photo-luminescent mapping. J Instrum. 2014;9(11):P11005—P11005.
- Freihofer G, Poliah L, Walker K, Medina A, Raghavan S. Optical stress probe: In situ stress mapping with Raman and photo-stimulated luminescence spectroscopy. J Instrum. 2010;5(12):P12003—P12003.
- Raghavan S, Imbrie PK, Crossley WA. Spectral analysis of R-lines and vibronic sidebands in the emission spectrum of ruby using genetic algorithms. Appl Spectrosc. 2008;62(7):759—765.
- Rossmann L, et al. Method for conducting in situ high-temperature digital image correlation with simultaneous synchrotron measurements under thermomechanical conditions. Rev Sci Instrum. 2020;91(3):033705.
- Siddiqui SF, et al. Synchrotron X-ray measurement techniques for thermal barrier coated cylindrical samples under thermal gradients. Rev Sci Instrum. 2013;84(8):083904.
- Raghavan S, Imbrie P. High-resolution stress mapping of polycrystalline alumina compression using synchrotron X-ray diffraction. J Synchrotron Radiat. 2011;18(3):497—505.
- Shokrieh MM, Ghanei Mohammadi AR. The importance of measuring residual stresses in composite materials. In: Shokrieh MM, ed. Residual Stresses in Composite Materials. Woodhead Publishing; 2014:3—14.
- Shokrieh MM, Akbari S, Daneshvar A. Reduction of residual stresses in polymer composites using nano-additives. In: Shokrieh MM, ed. Residual Stresses in Composite Materials. Woodhead Publishing; 2014:246—268.
- Nardi T, et al. Stress reduction mechanisms during photopolymerization of functionally graded polymer nanocomposite coatings. Prog Org Coat. 2015;87:204—212.
- Rahimian-Koloor SM, Shokrieh MM. Investigating the effect of the curing-induced residual stress on the mechanical behavior of carbon nanotube/epoxy nanocomposites by molecular dynamics simulation. Eng Sci. 2023;22:817.
Herprints en machtigingen
Dit artikel is gepubliceerd
Video binnenkort beschikbaar