Sandia National Laboratories (SNL) e il materiale stampato in 3d che sanguina in caso di manomissione

SANDIA SVILUPPA MATERIALE PER LA CUSTODIA STAMPABILE IN 3D CHE “SANGUINA” PER INDICARE LA MANOMISSIONE

Sandia National Laboratories (SNL), un appaltatore della National Nuclear Security Administration (NNSA) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, ha sviluppato un materiale stampabile in 3D per indicare la penetrazione di un recinto di segnalazione di manomissione (TIE). Il materiale è composto da microsfere di soluzioni di ioni metallici di transizione da stampare in 3D sulle superfici. Quando le microsfere si rompono, il cambiamento di colore irreversibile avvisa gli utenti di una violazione. I ricercatori ritengono che ciò aumenterà le capacità dei TIE e sosterrà la verifica dei trattati.

Le custodie che indicano la manomissione (TIE) sono essenzialmente tenute volumetriche. Viene spesso utilizzato nei regimi di verifica dei trattati per rilevare l’accesso a un elemento di interesse. Ad esempio, il rilevamento dell’accesso negli alloggiamenti di apparecchiature di proprietà dell’ispettorato garantisce la fiducia nelle informazioni archiviate ed elaborate all’interno.

Gli approcci attuali si basano su una valutazione visiva che richiede tempo e soggettiva da parte di un ispettore o di apparecchiature esterne. D’altro canto, gli approcci attivi sono limitati a causa di condizioni rigorose nell’ambiente di applicazione. Inoltre, molte tecnologie TIE sono obsolete, rendendole più vulnerabili.

Riconoscendo queste limitazioni, SNL mira a sviluppare materiali “sanguinanti” che consentano agli ispettori di individuare facilmente i tentativi di penetrazione nei TIE utilizzando una semplice osservazione visiva. Anche gli avversari non sarebbero in grado di riparare i danni ai nuovi materiali TIE. Tali materiali devono essere robusti per quanto riguarda l’affidabilità, l’ambiente e la gestione delle strutture. Il suo approccio è quello di incorporare microsfere caricate nel carico in strutture stampate in 3D che, una volta manomesse, causeranno un cambiamento irreversibile visivamente evidente del colore.

Ricerca e sviluppo di composti sensori

La prima fase dello studio è la ricerca e lo sviluppo di composti sensori. Il team ha cercato i metalli di transizione 3D con un sensore organico che mostra il cambiamento di colore irreversibile più drammatico. Dopo aver esaminato 8 diversi sali di metallo, SNL ha riscontrato i cambiamenti di colore più evidenti nelle soluzioni di Fe2 + e Fe3 +.

Quindi, le molecole del sensore sono fisicamente incorporate in una spina dorsale polimerica reticolata. Le strutture reticolate sono scelte come dorsali perché mitigano le radiazioni e non si degradano rapidamente nel tempo. Di conseguenza, i composti del sensore sono stabili nel tempo nell’aria, nel calore e in presenza di materiali corrosivi e radiazioni.

Risultati dello studio di scoping qualitativo sui cambiamenti di colore del metallo di transizione 3d con aggiunta di sensore organico in metanolo. Tutte le soluzioni in metallo diventano molto più scure e molte hanno un cambio di colore drammatico. Immagine via Sandia National Laboratories.
Ricerca e sviluppo di microsfere stampabili in 3D

Il secondo stadio è la ricerca e lo sviluppo di microsfere, piccole particelle sferiche nel regime di dimensioni da nano a micron. A partire da un’emulsione, queste minuscole capsule si formano in un mezzo liquido. Nell’esperimento sono state sintetizzate microsfere di diametro compreso tra 10 e 250 μm.

Gli ioni metallici di transizione della fase precedente sono stati caricati nelle capsule come composti da carico. Per contenere meccanicamente il composto da carico, esistono requisiti strutturali specifici per i materiali delle pareti della microsfera. Sebbene le microsfere debbano essere sufficientemente robuste per essere stampate in 3D e resistere alle normali condizioni ambientali, devono anche rompersi in caso di manomissione. Le proprietà intrinseche di trazione dei materiali delle pareti, nonché lo spessore delle pareti e il raggio della microsfera sono i fattori strutturali determinanti messi alla prova.

Tra le microsfere polimeriche studiate, il copolimero Urea Formamide (UF) risulta essere il migliore in termini di prestazioni dei materiali. I sistemi silicei sono stati successivamente studiati per conferire maggiore resistenza meccanica alle pareti della microsfera. Tuttavia, le microsfere di silice contengono micro e mesoporosità, che è indesiderabile per il contenimento a lungo termine di molecole di carico.

Combinando il meglio dei due mondi, il team ha deciso di sviluppare un materiale di microsfera composito polimero-silice core-shell. Le microsfere composite hanno la bassa permeabilità dei polimeri con l’elevata resistenza meccanica della silice.

Lo schermo del video microscopio cattura immagini raffiguranti microsfere UF intatte (a sinistra) e rotte (a destra) contenenti olio minerale. Lo stimolo meccanico è stato esercitato da una punta del micro-manipolatore che premeva sulla piastra superiore di un vetrino da microscopio. Immagine via Sandia National Laboratories.
Riepilogo e passaggi successivi

Senza attrezzatura aggiuntiva e ampio esame visivo che richiede tempo, i TIE risultanti sono passivi, flessibili, scalabili ed economici. Il monitoraggio dei tentativi di manomissione è reso più efficiente ed efficace utilizzando microsfere caricate con metallo.

Il materiale sviluppato sarà stampato in 3D per apparecchiature di ispezione personalizzabili o rivestito a spruzzo per l’applicazione su apparecchiature di proprietà. Altre applicazioni includono pareti o strutture, circuiti stampati e corpi di tenuta stampati in 3D.

In futuro, il team testerà e valuterà la durata e la vulnerabilità dei prototipi stampati e verniciati a spruzzo 3D. I prototipi saranno inoltre sottoposti a test ambientali e industriali al momento della fabbricazione.

Il potenziale della stampa 3D nelle misure di sicurezza è stato ampiamente esplorato. L’anno scorso sono state sviluppate nuove funzionalità microscopiche di sicurezza con litografia a due fotoni. Un altro modo per migliorare la sicurezza delle parti stampate in 3D è incorporare altri componenti nelle stampe. I punti quantici, che si illuminano quando colpiti da una luce UV, impediscono la contraffazione delle stampe 3D . Le “firme fantasma” chimiche sono un’altra, e possono essere trovate incorporate negli strati delle parti stampate in 3D.

” Enclosure Indicatori di manomissioni con risposta di manomissione visivamente evidente ” è pubblicato su ESARDA BULLETIN , n. 58. È co-autore di Heidi A. Smartt, Annabelle I. Benin, Cody Corbin, Joyce Custer, Patrick L. Feng, Matthew Humphries , Amanda Jones, Nicholas R. Myllenbeck.

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