Name: nanothermite with meringue-like morphology: from loose powder to ultra-porous objects
Uploaded: 2017-12-24T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Nanothermite with Meringue-like Morphology: From Loose Powder to Ultra-porous Objects at JoVE.com

Die Autoren möchten die Fotografen der ISL, Yves Suma und Yannick Boehrer, für die Fotos von Proben und für die Beobachtung von high-Speed-Video von der Synthese und der Verbrennung von Nanothermit Schäume danken. Sie möchten auch ihre Dankbarkeit an ihre Kollegen Dr. Vincent Pichot aus NS3E Labor für die Charakterisierung der Materialien durch Röntgenbeugung auszudrücken.

Achtung: Führen Sie alle Reaktionen, die in diesem Artikel in einer Explosion bewährten Kammer mit einer gepanzerten Fenster, die visuelle Kontrolle und Beobachtung der Schaumbildung/Verbrennungsprozessen können, durch high-Speed-video beschrieben. Achten Sie darauf, über die experimentelle Risiken bei der möglichen Zündung des aluminothermischen Kompositionen und die Wasserstoffexplosion in der Luft. Arbeiten Sie aus diesem Grund immer in einer Explosion bewährten Kammer mit entsprechenden Absaugung ausgestattet....

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	<li>Comet, M., Martin, C., Schnell, F., Spitzer, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanothermite+foams:+From+nanopowder+to+object.">Nanothermite foams: From nanopowder to object.</a> Chem. Eng. J. 316, 807-812 (2017).</li><li>Lafontaine, E., Comet, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Nanothermites. , (2016).</li><li>Comet, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preparation+of+Cr2O3+nanoparticles+for+superthermites+by+the+detonation+of+an+explosive+nanocomposite+material.">Preparation of Cr2O3 nanoparticles for superthermites by the detonation of an explosive nanocomposite material.</a> J. Nanopart. 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R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Super-reactive+Nanoenergetic+Gas+Generators+Based+on+Periodate+Salts.">Super-reactive Nanoenergetic Gas Generators Based on Periodate Salts.</a> Angew. Chem. Int. Ed. 52 (37), 9743-9746 (2013).</li><li>Comet, M., Vidick, G., Schnell, F., Suma, Y., Baps, B., Spitzer, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sulfates-Based+Nanothermites:+An+Expanding+Horizon+for+Metastable+Interstitial+Composites.">Sulfates-Based Nanothermites: An Expanding Horizon for Metastable Interstitial Composites.</a> Angew. Chem. Int. Ed. 54 (15), 4458-4462 (2015).</li><li>Zhou, W., Delisio, J. B., Li, X., Liu, L., Zachariah, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Persulfate+salt+as+an+oxidizer+for+biocidal+energetic+nano-thermites.">Persulfate salt as an oxidizer for biocidal energetic nano-thermites.</a> J. Mater. Chem. A. 3 (22), 11838-11846 (2015).</li><li>Sun, J., Pantoya, M. L., Simon, S. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dependence+of+size+and+size+distribution+on+reactivity+of+aluminum+nanoparticles+in+reactions+with+oxygen+and+MoO3.">Dependence of size and size distribution on reactivity of aluminum nanoparticles in reactions with oxygen and MoO3.</a> Thermochim. Acta. 444 (2), 117-127 (2006).</li><li>Levitas, V. I., Asay, B. W., Son, S. 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Pyrot. , (2017).</li><li>Siegert, B., Comet, M., Spitzer, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Safer+energetic+materials+by+a+nanotechnological+approach.">Safer energetic materials by a nanotechnological approach.</a> Nanoscale. 3, 3534-3544 (2011).</li><li>Sullivan, K. T., Kuntz, J. D., Gash, A. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrophoretic+deposition+and+mechanistic+studies+of+nano-Al/CuO+thermites.">Electrophoretic deposition and mechanistic studies of nano-Al/CuO thermites.</a> J. Appl. Phys. 112, 024316 (2012).</li><li>Blobaum, K. J., Reiss, M. E., Plitzko, J. M., Weihs, T. 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Lett. 107, 243108 (2015).</li></ol>

Der Mischvorgang Nanopulver mit Säure und der Schließung der Explosionskammer müssen schnell, aus Gründen der Sicherheit durchgeführt werden. Die Verzögerung der Reaktion kann zu einem gewissen Grad (1-10 min), abhängig von den experimentellen Bedingungen variieren. Es wird verkürzt, wenn die Raumtemperatur zu hoch ist oder in Gegenwart von externen Wärmequellen wie ein Scheinwerfer, die frühzeitige Aktivierung der schäumende Reaktion hervorrufen können. Dagegen ist es erhöht, wenn die Raumtemperatur niedrig...

Dieser Artikel berichtet über eine Methode zur Umwandlung Nanogrösse aluminothermischen Mischungen (Al/WO3) aus einem losen Puder Zustand Schäume1. Nanothermites sind schnell brennen energische Kompositionen, die am häufigsten durch die physische Vermischung von metallischen Oxid/Salz mit einem reduzierenden Metall, in Form von Nanopulver2hergestellt werden. Die repräsentativsten Oxide benutzt, um Nanothermites vorzubereiten sind Cr2O33,4, Fe2O35, MnO26, WO37, MoO38 , CuO9 und Bi2O310,11, während die metallischen Salze verwendet werden Perchlorate12,13iodates14,15, periodates16,17 oder Persulfate18Sulfate. Aluminium-Nanopowder ist die beste Wahl als Brennstoff für Nanothermites aufgrund ihrer zahlreichen wünschenswerten Eigenschaften wie eine hohe Oxidation Hitze (10-25 kJ/g)19, schnelle Reaktionskinetik20, geringe Toxizität21, und eine faire Maß an Stabilität, sobald es genau passivierte22wurde.
In Al-basierte Nanothermites, breitet sich die Flammenfront bei hohen Geschwindigkeiten (0,1 - 2,5 km/s), aber dies kann jedoch, als Detonation23betrachtet werden. Der Reaktionsmechanismus ist tatsächlich durch die Konvektion der heißen Gase in die Porosität des nicht umgesetztes Material getrieben. Das heißt, ist die Porosität für das schnelle Brennen von Nanothermites. Lose Nanothermit Pulver ist jedoch nicht stabil aus physikalischer Sicht. Sie sind durch Stöße oder Vibrationen verdichtet, und ihre dichtesten Komponente (in der Regel das Oxid) trennt schrittweise aus der Zusammensetzung von der Wirkung der Schwerkraft. Die Stabilisierung von Nanothermit Porosität ist eine entscheidende Herausforderung für ihre Integration in zukünftige pyrotechnische Systeme.
Der Hauptvorteil des Vorbereitungsprozesses beschriebenen soll hochporöse, solide, Nanothermit Monolithen, die gestaltet werden kann, durch Formen der Paste, aus der sie sich bilden. Darüber hinaus sind Nanothermit Schäume ziemlich unempfindlich gegen Stoß, Reibung und elektrostatische Entladung, die im Vergleich zu Nanothermit loser Puder. Diese Unempfindlichkeit macht sie besonders sicher zu handhaben und Maschine, zum Beispiel durch Sägen oder bohren.
Wenn lose Nanothermit Pulver gepresst oder granuliert, deren Porosität verringert und Objekte entstehen. Der Zusammenhalt solcher Materialien stammt aus der Oberfläche Kräfte, die für die Aggregation von Nanopartikeln verantwortlich sind. Die mechanische Festigkeit von Nanothermit Pellets kann in Gegenwart von Kohlenstoff-Nano-Fasern, als einen Rahmen, um diese Objekte24verstärken fungierende verbessert werden. Leider verringert sich stark drücken die Reaktivität des Nanothermites. Nach Prentice Et Al.induziert die drängenden Nano-Al/Nano-WO3 Kompositionen einen Zusammenbruch ihrer Reaktion Geschwindigkeit um zwei Größenordnungen7. Zusammenfassend kann nicht im Gegensatz zu den meisten Sprengstoffe, Nanothermites durch Drücken der Taste geformt werden.
Bisher wurden nur wenige Methoden zur Strukturierung von Nanothermites in der wissenschaftlichen Literatur Umgang mit Nanothermites beschrieben. Nanothermites kann auf Substrate, entweder aus der Pulver verstreut in einem flüssigen Medium durch Elektrophorese25oder durch das Sputtern von deren Komponenten in aufeinanderfolgenden Schichten26Komponenten abgeschieden werden. Beide Ansätze führen zu dichten Ablagerungen, die sind weniger reaktiv als loser Puder und neigen dazu, vom Substrat Delaminieren auf denen sie zubereitet werden.
Die Vorbereitung von "dreidimensionalen" Objekten bestehend aus Nanothermit wurde von Tillotson Et Al. vorgeschlagen. 5, wer benutzt die Sol-Gel-Synthese entwickelt von Gash Et Al. , die Vergelung Lösungen der Metallsalze Epoxide27besteht. Nanothermit Monolithen werden durch Dispergieren Al Nanopowder in der Sol vor Gelier-vorbereitet. Die Gele werden anschließend in einer Wärmekammer Xerogels herstellen oder durch einen komplexen Prozess unter Verwendung von überkritischem CO2 , der Aerogele erhalten getrocknet. Nanothermit Aerogele haben starke Reaktivität nicht nur, sondern auch aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften bearbeitet werden können. Darüber hinaus erlaubt es die Sol-Gel-Verfahren, Mikro- und mesoporösen Materialien mit einem unvergleichlichen Maß an Homogenität zwischen dem Kraftstoff (Al) und das Oxid in der Mischung zu synthetisieren. Trotz dieser interessanten Features, wird durch die Verwendung von Sol-Gel-Verfahren beschränkt: (i) die Komplexität der Batch-Synthese, das hängt von vielen Parametern; (Ii) die unvermeidbare Anwesenheit von Synthese Nebenprodukte (Verunreinigungen) im Endmaterial, und (Iii) die sehr lange Zeit durch die verschiedenen Schritte des Prozesses benötigt.
Brennbare Matten von Nanothermit wurden durch Elektrospinnen Nitrocellulose (Binder) von Lösungen mit Al und CuO Nanopartikel28aufgeladen vorbereitet. Diese Nanothermit Filze bestehen aus Fasern mit Sub-Mikrometer Skala Durchmessern, die a priori nicht porös sind. In diesen Materialien wird die Porosität durch die Verschränkung von Fasern definiert. Die Proben von Nanothermit Matten brennen langsam (0,06 - 1,06 m/s) im Vergleich zu reinen Nanogrösse Al/CuO Mischungen in einem losen Puder Zustand, in dem die Flammenfront breitet sich mit einer Geschwindigkeit von mehreren hundert m/s29. Schließlich ist die Verwendung von Nitrozellulose als Bindemittel für Nanothermites nicht ideal, weil es wesentlich ihre thermische Empfindlichkeit erhöht und ihre chemische Langzeitstabilität ändert.
Membranen der Nanothermites wurden von Yang Et Al. von komplexen hierarchischen MnO2/SnO2 Heterostrukturen gemischt mit Al Nanopartikel6vorbereitet. In diesen Materialien hat die Oxid-Phase eine ganz bestimmte Morphologie, in der MnO2 Nano-Drähte SnO2 Zweige abgedeckt sind. Wegen seiner besonderen Struktur das Oxid nicht nur fallen Al Nanopartikel, sondern sorgt auch für die mechanische Festigkeit der Membran.Der Ausarbeitung der MnO2/SnO2/Al Membranen ist sehr einfach; Filterung der Nanothermit enthalten in der Flüssigkeit, in der es mit der Filtration Kuchen als Membran erstellt wurde, bestehend aus.
Zusammenfassen, die einzige Nanothermit sind Objekte, die in der wissenschaftlichen Literatur genannten Ablagerungen auf Substrate, der Aerogele oder Matten. Die Idee der Nanothermites in Form von festen Schäume Vorbereitung eröffnet neue Horizonte für die Integration dieser energetischen Materialien in funktionale Pyrotechnik-Systeme. Der Schäumprozess berichtet in diesem Artikel ist einfach durchzuführen und kann praktisch auf jedem Nanothermit aus Aluminium Nanopowder vorbereitet angewendet werden. Die Schaummittel ist Orthophosphorsäure Säure (H3PO4), eine gemeinsame, kostengünstige und ungiftig Chemikalie, die reagiert mit Nano-Al, geben den Zement (AlPO4) und die Gase (H2, H2O Dampf), die die Porosität des erstellen die Werkstoff-1. Aluminium-Phosphat ist besonders stabil bei hohen Temperaturen, im Gegensatz zu organischen Bindemitteln wie energetische Polymere (Nitrozellulose). Jedoch verhält sich AlPO4 als ein Oxidationsmittel in Richtung Nano-Al bei hohen Temperaturen nach dem Konzept der "negativen Sprengstoff" von Shimizu30vorgeschlagen.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Aluminum nanopowder</td>
			<td>Intrinsiq Materials</td>
			<td>-</td>
			<td>nanopowder, &#8776; 100 nm particle size Al QNA891</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tungsten(VI) oxide</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>550086-25G</td>
			<td>nanopowder, &#60;100 nm particle size (TEM) Lot# MKBR9903V</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Orthophosphoric Acid</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>-</td>
			<td>85% solution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>polyethylene Pasteur pipette 3 mL</td>
			<td>Th. Geyer</td>
			<td>7691062</td>
			<td>LABSOLUTE Pasteur pipettes made of polyethylene (PE) graduation 0,50 ml, Length 145 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>polyethylene Pasteur pipette 1 mL</td>
			<td>Th. Geyer</td>
			<td>7691063</td>
			<td>LABSOLUTE Pasteur pipettes made of polyethylene (PE) graduation 0,25 ml, Length 150 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Test tube shaker Reax Control</td>
			<td>Heidolph</td>
			<td>541-11000-00</td>
			<td>Vortex mixer with strong 5 mm vibration orbit yields</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

nanothermite with meringue-like morphology: from loose powder to ultra-porous objects

Das Ziel des Protokolls, die in diesem Artikel beschriebenen soll aluminothermischen Kompositionen (Nanothermites) vorbereiten, in Form von porösen, monolithische Objekte. Nanothermites sind brennbare Materialien bestehend aus anorganischen Kraftstoff und ein Oxidationsmittel. Nanothermit Schäume ist Aluminium der Kraftstoff- und Aluminium Phosphat und Wolfram Trioxid sind oxidierende Moieties. Die höchste Flamme Ausbreitung Geschwindigkeiten (FPVs) in Nanothermites sind in loser Puder beobachtet und FPVs werden stark durch Granulierung Nanothermit Pulver verringert. Aus physikalischer Sicht sind Nanothermit loser Puder metastabile Systeme. Ihre Eigenschaften können durch unbeabsichtigte Verdichtung induziert durch Stöße oder Vibrationen oder durch die Trennung von Partikeln im Laufe der Zeit durch Absetzen Phänomene, stammt aus der Dichteunterschiede der Komponenten verändert werden. Aus einem Pulver auf ein Objekt bewegen, ist die Herausforderung, die überwunden werden muss, um Nanothermites in pyrotechnische Systeme zu integrieren. Nanothermit Objekte müssen eine hohe offene Porosität und gute mechanische Festigkeit haben. Nanothermit Schäume erfüllen beide Kriterien, und sie werden durch Dispergieren eine Nanogrösse aluminothermischen Mischung (Al/WO3) in Orthophosphorsäure Säure vorbereitet. Die Reaktion von Aluminium mit der sauren Lösung gibt die AlPO4 "Zement" in welche Al und WO3 Nanopartikel eingebettet sind. Aluminium-Phosphat spielt in Nanothermit Schäume die Doppelrolle von Bindemittel und Oxidationsmittel. Diese Methode kann mit Wolfram Trioxid verwendet werden, die nicht von der Vorbereitungsprozess geändert wird. Es könnte wahrscheinlich auf einige Oxide ausgedehnt werden, die häufig für die Herstellung von Hochleistungs-Nanothermites verwendet werden. WO3-basierte Nanothermit-Schaumstoffe, die in diesem Artikel beschriebenen sind besonders unempfindlich gegenüber Auswirkungen und Reibung, wodurch sie weit sicherer zu handhaben als loses Al/WO3 Pulver. Die schnelle Verbrennung dieser Materialien hat interessante Anwendungen in pyrotechnische Zünder. Ihre Verwendung in Sprengkapseln als Primer müsste die Aufnahme von einem sekundären Sprengstoff in ihrer Zusammensetzung.

Die Aluminophosphate-Matrix enthält kristallisiertes Aluminium (Al) und Aluminium-Phosphat (AlPO4). Das Vorhandensein dieser Phasen bestätigte sich durch Röntgenbeugung (Abbildung 1). Darüber hinaus haben gravimetrische Experimente gezeigt, dass dieses Material auch einen nicht-kristallinen Teil enthält, der amorphem Aluminiumoxid ist. In diesen Materialien verhält sich Aluminium-Phosphat, sowohl als Bindemittel und Oxidationsmittel. Die oxid...

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Nanothermite with Meringue-like Morphology: From Loose Powder to Ultra-porous Objects

Dieses Manuskript beschreibt die Synthese von brennbaren Aluminophosphate Matrizen durch die Reaktion der Orthophosphorsäure Säure (H3PO4) mit Aluminium Nanopowder. Wenn diese Reaktion mit überschüssige Aluminium im Beisein von Wolfram Trioxid Nanopowder durchgeführt wird, führt dies zu einem festen, porösen Nanothermit-Schaum.

Nanothermit mit Baiser-ähnliche Morphologie: aus losen Puder auf Ultra-poröse Objekte

The goal of the protocol described in this article is to prepare aluminothermic compositions (nanothermites) in the form of porous, monolithic objects. ...

Research

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From Constructs to Crystals ÃƒÂ¢Ã¢â€šÂ¬Ã¢â‚¬Å“ Towards Structure Determination of ÃƒÅ½Ã‚Â²-barrel Outer Membrane Proteins

Von Konstrukten Crystals - Auf dem Weg zu Strukturbestimmung von β-Fass-Außenmembranproteine

Membrane proteins serve important functions in cells such as nutrient transport, motility, signaling, survival and virulence, yet constitute only ~1% ...

X-ray Powder Diffraction in Conservation Science: Towards Routine Crystal Structure Determination of Corrosion Products on Heritage Art Objects

X-ray Powder Diffraction in Conservation Science: Auf dem Weg Routine Kristallstrukturbestimmung von Korrosionsprodukten auf Heritage Kunstobjekte

The crystal structure determination and refinement process of corrosion products on historic art objects using laboratory high-resolution X-ray powder ...

Extraction and Purification of Polyphenols from Freeze-dried Berry Powder for the Treatment of Vascular Smooth Muscle Cells In Vitro

Extraction and Purification of Polyphenols from Freeze-dried Berry Powder for the Treatment of Vascular Smooth Muscle Cells In Vitro

Extraktion und Reinigung von Polyphenolen aus gefriergetrocknetem Beerenpulver zur Behandlung von vaskulären glatten Muskelzellen<em&gt; In vitro</em

Epidemiological studies indicate that increased flavonoid intake correlates with decreased mortality due to cardiovascular diseases (CVD) in the United ...

From Molecules to Materials: Engineering New Ionic Liquid Crystals Through Halogen Bonding

Von Molekülen zu Materialien: neue ionische Flüssigkristalle durch Halogen-Bonding Technik

Herein, we demonstrate that a bottom-up approach, based on halogen bonding (XB), can be successfully applied for the design of a new type of ionic liquid ...

Grafting Multiwalled Carbon Nanotubes with Polystyrene to Enable Self-Assembly and Anisotropic Patchiness

Pfropfen Multiwalled Carbon Nanotubes mit Polystyrol Selbstmontage ermöglichen und anisotropen führt

We demonstrate a straightforward protocol to graft pristine multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) with polystyrene (PS) chains at the sidewalls through a ...

Combustion Chemistry of Fuels: Quantitative Speciation Data Obtained from an Atmospheric High-temperature Flow Reactor with Coupled Molecular-beam Mass Spectrometer

Chemie der Verbrennung von Brennstoffen: Quantitative Speziationsdaten aus einer atmosphärischen Strömung der Hochtemperatur-Reaktor mit gekoppelt Molekularstrahl Massenspektrometer

This manuscript describes a high-temperature flow reactor experiment coupled to the powerful molecular beam mass spectrometry (MBMS) technique. This ...

Methionine Functionalized Biocompatible Block Copolymers for Targeted Plasmid DNA Delivery

Methionin funktionalisierte biokompatible Blockcopolymere für gezielte Plasmid-DNA-Lieferung

Reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization integrates the advantages of radical polymerization and living polymerization. This ...

Analyzing Melts and Fluids from Ab Initio Molecular Dynamics Simulations with the UMD Package

Analyse von Schmelzen und Flüssigkeiten aus Ab Initio Molekulardynamiksimulationen mit dem UMD-Paket

We have developed a Python-based open-source package to analyze the results stemming from ab initio molecular-dynamics simulations of fluids. The package ...