Zahvaljujući ljudskoj genijalnosti i nultoj gravitaciji, izvlačimo važne koristi od nauke u svemiru. Razmislite o pametnim telefonima sa ugrađenim navigacionim sistemima i kamerama.
Čini se da se takve transformacione tehnologije preko noći uklapaju u ritam našeg svakodnevnog života. Ali oni su se pojavili iz godina otkrića i razvoja materijala koji mogu da izdrže teška okruženja van naše atmosfere. Oni evoluiraju iz decenija postavljanja temelja u bazičnoj nauci da bi razumeli kako se atomi ponašaju u različitim materijalima u različitim uslovima.
Nadovezujući se na ovu prošlost, globalni tim istraživača je postavio novo merilo za buduće eksperimente koji prave materijale u svemiru, a ne u svemiru. Tim je uključivao članove iz nacionalnih laboratorija Oak Ridge i Argonne Ministarstva energetike, Materials Development, Inc., NASA, Japanske agencije za istraživanje svemira ili JAKSA, ISIS Neutron and Muon Source, Univerziteta Alfred i Univerziteta u Novom Meksiku. Zajedno su otkrili da mnoge vrste stakla, uključujući i one koje bi se mogle razviti za optičke uređaje sledeće generacije, imaju sličnu atomsku strukturu i aranžmane i mogu se uspešno praviti u svemiru.
Rad tima objavljen je u časopisu npj Mikrogravitacija.
„Ideja je da se osete mehanizmi koji stoje iza svemirske proizvodnje, što može dovesti do materijala koji nisu nužno dostupni na Zemlji“, rekao je Jorg Nouefeind, koji se pridružio ORNL-u 2004. da bi napravio instrument pod nazivom NOMAD u laboratorijskom izvoru Spallation Neutron Source. (SNS). NOMAD, najbrži neutronski difraktometar na svetu, pomaže naučnicima da mere raspored atoma tako što vide kako se neutroni odbijaju od njih. NOMAD je jedan od 20 instrumenata u SNS-u koji pomaže naučnicima da odgovore na velika pitanja i podstiču na bezbroj inovacija, poput lekova koji efikasnije leče bolesti, pouzdanijih avionskih i raketnih motora, automobila sa boljom kilometražom gasa i baterija koje su bezbednije, brže se pune i duže traju. .
JAKSA operateri na Zemlji pravili su i topili staklo na Međunarodnoj svemirskoj stanici (ISS), putem daljinskog upravljanja pomoću levitatora. Levitatori se koriste za suspendovanje uzoraka materijala tokom eksperimenata kako bi se izbegle smetnje usled kontakta sa drugim materijalima.
Kada je sledeća misija na ISS-u završena mesecima kasnije i svemirsko staklo je doneto na Zemlju, istraživači su koristili kombinaciju tehnika koje su uključivale neutrone, rendgenske zrake i moćne mikroskope da izmere i uporede staklo napravljeno i istopljeno na nebu sa zemaljskim.
„Otkrili smo da sa tehnikama bez kontejnera, kao što je levitator, možemo stvoriti nekonvencionalne naočare u mikrogravitaciji“, rekao je Takehiko Išikava iz JAKSA, pionir elektrostatičkog levitatora koji se koristi za pravljenje staklenih perli na ISS-u.
Istraživači su se oslanjali na NOMAD u SNS-u da proučava uzorke stakla sa neutronima i snopove u Argonneovom naprednom izvoru fotona da bi proučavali uzorke rendgenskim zracima. I SNS i APS su korisnički objekti Kancelarije za nauku DOE.
„Postoji samo toliko materijala da možete odleteti u svemir i vratiti se, i to je zapravo bio jedan od razloga zašto je NOMAD bio tako pogodan za ovaj eksperiment“, rekao je Stephen Vilke iz Materials Development Inc. i gostujući naučnik u Argonneu . „Vraćali smo samo pojedinačne staklene kuglice prečnika oko osam inča, koje je veoma teško izmeriti u smislu atomske strukture. Pošto se NOMAD ističe u merenju izuzetno malih uzoraka, to nam je omogućilo da lako uporedimo pojedinačne perle koje smo napravili u laboratorija sa onima napravljenim na svemirskoj stanici.“
Ispostavilo se da staklo nije tako jasno. Za razliku od kristalnih čvrstih materija, kao što je so, atomi stakla nemaju uniformnu strukturu. Njegov neobičan atomski raspored, iako izuzetno stabilan, možda se najbolje opisuje kao nasumična mreža molekula koji dele koordinatne atome. Ni potpuno čvrsto ni potpuno tečno, staklo takođe dolazi u različitim oblicima, uključujući polimer, oksid i metal, kao što su sočiva za naočare, optičke niti i hardver za misije u duboki svemir.
Godine 2022., Neuefeind, Vilke i Rick Veber, stručnjak za staklo u industriji, eksperimentisali su sa dva oksida neodimijuma i titanijuma i otkrili potencijal za optičke primene. Kombinacija ova dva elementa pokazuje neobične snage koje se ne vide u sličnim istraživačkim kampanjama. Ovi nalazi su ih naveli da nastave sa svojim trenutnim studijama sa NASA-om.
„[Eksperiment 2022.] nas je naučio nečemu zaista izvanrednom“, rekao je Veber, iz Materials Development Inc. „Jedna od naočara ima mrežu koja je potpuno drugačija od normalne, četvorokoordinatne mreže tipične za silicijum dioksid. Ove naočare imaju šest -Koordinirana mreža je zaista uzbudljiva iz perspektive nauke o staklu, to znači i više mogućnosti za rad sa optičkim materijalima i novim vrstama uređaja.
Naučnici često koriste neutrone i rendgenske zrake paralelno za prikupljanje podataka koje druge tehnike ne mogu proizvesti, što nam omogućava da razumemo raspored atoma različitih elemenata u uzorku. Neutroni su pomogli timu da vidi lakše elemente u svemirskom staklu, poput kiseonika, dok su im rendgenski zraci pomogli da vide teže elemente, kao što su neodimijum i titanijum. Da su postojale značajne razlike između svemirskog stakla i zemaljskog stakla, one bi se verovatno pokazale u oksidnoj podrešetki, ili rasporedu atoma kiseonika, u distribuciji teških atoma, ili oboje.
Neutroni će postati sve važnije oruđe za otključavanje misterija materije dok naučnici istražuju nove granice, bez obzira na svemir.
„Moramo razumeti ne samo efekte svemira na materiju, već i njegove efekte na to kako se stvari formiraju“, rekao je Neuefeind. „Zbog svojih jedinstvenih svojstava, neutroni su deo rešavanja ovakvih zagonetki.“
