Neutroner åbner vinduet for at udforske rumglas

Takket være menneskelig opfindsomhed og nul tyngdekraft høster vi vigtige fordele af videnskab i rummet. Overvej smartphones med indbyggede navigationssystemer og kameraer.

Sådanne transformationsteknologier synes at blande sig i rytmen i vores hverdagsliv fra den ene dag til den anden. Men de er opstået fra mange års opdagelser og udvikling af materialer, der kan modstå barske miljøer uden for vores atmosfære. De udvikler sig fra årtiers grundlæggelse af grundlæggende videnskab for at forstå, hvordan atomer opfører sig i forskellige materialer under forskellige forhold.

Med udgangspunkt i denne fortid har et globalt hold af forskere sat et nyt benchmark for fremtidige eksperimenter, der fremstiller materialer i rummet snarere end til rummet. Holdet omfattede medlemmer fra Department of Energy's Oak Ridge og Argonne nationale laboratorier, Materials Development, Inc., NASA, Japan Aerospace Exploration Agency eller JAXA, ISIS Neutron and Muon Source, Alfred University og University of New Mexico. Sammen opdagede de, at mange slags glas, inklusive dem, der kunne udvikles til næste generation af optiske enheder, har lignende atomare struktur og arrangementer og med succes kan fremstilles i rummet.

Holdets papir er offentliggjort i tidsskriftet npj Microgravity .

"Idéen er at mærke mekanismerne bag rumbaseret fremstilling, som kan føre til materialer, der ikke nødvendigvis er tilgængelige på Jorden," sagde Jörg Neuefeind, der sluttede sig til ORNL i 2004 for at bygge et instrument kaldet NOMAD ved laboratoriets Spallation Neutron Source. (SNS). NOMAD, det hurtigste neutrondiffraktometer i verden, hjælper forskere med at måle arrangementet af atomer ved at se, hvordan neutroner hopper af dem. NOMAD er et af 20 instrumenter hos SNS, der hjælper forskere med at besvare store spørgsmål og anspore til utallige innovationer, såsom lægemidler, der mere effektivt behandler sygdomme, mere pålidelige fly- og raketmotorer, biler med bedre benzinforbrug og batterier, der er sikrere, oplader hurtigere og holder længere. .

JAXA-operatører på Jorden lavede og smeltede glas ombord på den internationale rumstation (ISS) via fjernbetjening ved hjælp af en levitator. Levitatorer bruges til at suspendere materialeprøver under eksperimenter for at undgå interferens fra kontakt med andre materialer.

Da den næste ISS-mission sluttede måneder senere, og rumglasset blev bragt til Jorden, brugte forskere en kombination af teknikker, der inkluderede neutroner, røntgenstråler og kraftige mikroskoper til at måle og sammenligne glas fremstillet og smeltet himmelsk i forhold til jord.

"Vi fandt ud af, at vi med beholderløse teknikker, såsom levitatoren, kan skabe ukonventionelle glas i mikrotyngdekraft," sagde JAXA's Takehiko Ishikawa, pioner inden for den elektrostatiske levitator, der bruges til at fremstille glasperlerne ombord på ISS.

Forskerne stolede på NOMAD ved SNS for at studere glasprøverne med neutroner og strålelinjer ved Argonnes Advanced Photon Source for at studere prøverne med røntgenstråler. Både SNS og APS er DOE Office of Science brugerfaciliteter.

"Der er kun så meget materiale, du kan flyve op i rummet og komme tilbage, og det var faktisk en af ​​grundene til, at NOMAD var så velegnet til dette eksperiment," sagde Stephen Wilke fra Materials Development Inc., og en gæsteforsker ved Argonne . "Vi fik kun enkelte glasperler tilbage omkring en ottendedel tomme i diameter, som er meget svære at måle med hensyn til atomstruktur. Da NOMAD udmærker sig ved at måle ekstremt små prøver, gav det os mulighed for nemt at sammenligne enkeltperler, vi lavede i laboratorium med dem, der er lavet på rumstationen."

Glas mysterier

Glas, viser det sig, er ikke så entydigt. I modsætning til krystallinske faste stoffer, såsom salt, har glasatomer ikke en ensartet struktur. Dets usædvanlige atomarrangement, selvom det er bemærkelsesværdigt stabilt, beskrives måske bedst som et tilfældigt netværk af molekyler, der deler koordinerede atomer. Hverken helt fast eller helt flydende, glas kommer også i forskellige former, herunder polymer, oxid og metallisk, såsom til brilleglas, fiberoptiske tråde og hardware til dybe rummissioner.

I 2022 eksperimenterede Neuefeind, Wilke og Rick Weber, en brancheekspert på glas, med to oxider af neodym og titanium og opdagede et potentiale for optiske applikationer. Kombinationen af ​​disse to elementer udviser usædvanlige styrker, der ikke ses i lignende forskningskampagner. Disse resultater fik dem til at forfølge deres nuværende undersøgelser med NASA.

"[Eksperimentet i 2022] lærte os noget virkelig bemærkelsesværdigt," sagde Weber, fra Materials Development Inc. "Et af glassene har et netværk, der er helt anderledes end et normalt fire-koordinat netværk, der er typisk for silica. Disse glas har en sekser. -koordinere netværk De er virkelig derude.

Forskere bruger ofte neutroner og røntgenstråler parallelt til at indsamle data, som ingen andre teknikker kan producere, hvilket giver os mulighed for at forstå arrangementet af atomer af forskellige elementer i en prøve. Neutroner hjalp holdet med at se de lettere elementer i rumglasset, som ilt, mens røntgenstråler hjalp dem med at se de tungere elementer, såsom neodym og titanium. Hvis der eksisterede betydelige forskelle mellem rumglasset og terrestrisk glas, ville de sandsynligvis have vist sig i oxidundergitteret eller arrangementet af oxygenatomerne, i fordelingen af ​​de tunge atomer eller begge dele.

Neutroner vil blive stadig vigtigere værktøjer til at låse op for materiens mysterier, efterhånden som videnskabsmænd udforsker nye grænser, uanset rummet.

"Vi skal forstå ikke kun virkningerne af rummet på stof, men også dets virkninger på, hvordan ting dannes," sagde Neuefeind. "På grund af deres unikke egenskaber er neutroner en del af løsningen af ​​denne slags gåder."