Att spåra massa genom tuffa miljöer kräver surrogatpartiklar som tål händelsen och håller ut till provtagning. Forskare har tidigare rapporterat om överlevnadsförmågan hos robusta partikelspårämnen under explosioner.
I en ny studie av Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), har forskare skapat robusta spårpartiklar som kan överleva och frodas under extrema förhållanden.
Fluorescerande färgämnen och andra organiska material används ofta som spårämnen i biologisk forskning för att lokalisera celler och upptäcka vattenläckor. De fungerar utmärkt under vissa omständigheter, men de är mindre effektiva på att spåra material i explosioner. Deras problem är: de brinner.
I denna studie, istället för att använda organiska material, fokuserade forskare på oorganiska material för att utveckla sina robusta spårämnen - särskilt kvantprickar.
PNNL-forskaren April Carman sa, "Även om de klarade sig mycket bättre än organiska material under svåra förhållanden, behövde forskargruppen fortfarande skydda kvantprickarna från de extrema förhållandena vid en kemisk explosion."
"Det visade sig vara svårt att hitta ett sätt att skydda spårämnet samtidigt som det bibehåller dess självlysande intensitet."
Den lokala miljön påverkar spårämnets ljusstyrka eller självlysande intensitet avsevärt. Vissa förebyggande åtgärder kan minska ljusstyrkan, vilket gör spårämnet svårare att hitta. Därför beslutade forskare att använda hydratiserad kiseldioxid - "i princip vattendränkt glas" för att skydda kvantprickarna och behålla deras ljusstyrka.
De belagda spårämnena som skapats av PNNL-teamet var nästan lika lysande som de ursprungliga kvantprickarna, även om tidigare tekniker för silikabeläggning avsevärt minskade spårämnes ljusstyrka. Ytterligare tester visade att partiklarna kunde uthärda olika pH-nivåer under längre perioder.
Hubbard sa, "Vi visste att vi skapade något speciellt när vi såg våra resultat."
Lyckligtvis för PNNL-teamet var deras syntesmetod utformad för att vara helt skalbar för att producera masskvantiteter - från kilogram till potentiella ton per dag.
PNNL-forskaren Michael Foxe sa, "De kan inte bara göra stora mängder av spårämnet, utan de kan också anpassa dem. "Vi kan justera spårämnets storlek och färg till vilken specificitet som helst. Spåraren kan finjusteras för att skapa en efterlikning av massan eller materialet som spåras. Vi kan också använda en mängd olika storlekar med olika färger för att visualisera hur en explosion påverkar partiklar av olika storlekar."
Forskare noterade, "Spårämnena är tillräckligt robusta för att kunna användas i tuffa miljöer för att spåra massa och förbättra forskarnas förståelse för miljöns öde och transporter. De kan fungera under förhållanden som är för svåra för traditionella spårämnen – som i olje- och gasraffinaderier eller geotermiska anläggningar. Med inställbara parametrar och ett lättanvänt system har dessa spårämnen många potentiella tillämpningar för att spåra materialöden och transport i tuffa miljöer."
Carman sa, "Vi är glada att vi kunde fortsätta att driva detta projekt trots initial skepsis. Vi är också glada över att se vart det leder oss härnäst."
Tidskriftsreferens:
- Hubbard, L., Reed, C., Uhnak, N. et al. Luminescerande kiseldioxidmikroagglomerat, syntes och miljötestning. MRS Communications 12, 119–123 (2022). DOI: 10.1557/s43579-022-00150-3
