ניוטרונים מאירים את המסתורין של זכוכית החלל

חוקרים פיתחו טכניקות לייצור סוגים שונים של זכוכית בחלל, תוך גילוי פוטנציאל להתקדמות בטכנולוגיה אופטית.

הודות לכושר ההמצאה האנושי ואפס כוח הכבידה, אנו קוצרים יתרונות חשובים מהמדע בחלל. שקול סמארטפונים עם מערכות ניווט מובנות ומצלמות.

נראה שטכנולוגיות טרנספורמציות כאלה משתלבות בין לילה לקצב חיי היומיום שלנו. אבל הם צצו משנים של גילויים ופיתוחים של חומרים שיכולים לעמוד בסביבות קשות מחוץ לאטמוספירה שלנו. הם מתפתחים מעשרות שנים של הנחת יסודות במדע בסיסי כדי להבין כיצד אטומים מתנהגים בחומרים שונים בתנאים שונים.

פריצות דרך במדעי החומרים

בהתבסס על העבר הזה, צוות חוקרים עולמי קבע רף חדש לניסויים עתידיים בייצור חומרים ב מרחב ולא ל מֶרחָב. הצוות כלל חברים מהמעבדות הלאומיות Oak Ridge ו-Argonne של משרד האנרגיה, Materials Development, Inc., נאס"אהסוכנות היפנית לחקר החלל, או JAXA, ISIS Neutron and Muon Source, אוניברסיטת אלפרד ואוניברסיטת ניו מקסיקו. יחד, הם גילו שלסוגים רבים של זכוכית, כולל כאלה שניתן לפתח עבור מכשירים אופטיים מהדור הבא, יש מבנים וסידורים אטומיים דומים וניתן לייצר אותם בהצלחה בחלל.

"הרעיון הוא לחוש את המנגנונים מאחורי ייצור מבוסס חלל, שיכול להוביל לחומרים שאינם בהכרח זמינים על פני כדור הארץ", אמר יורג נויפיינד, שהצטרף ל-ORNL ב-2004 כדי לבנות מכשיר בשם NOMAD במקור הניוטרונים של המעבדה. , או SNS. NOMAD, דיפרקטומטר הנייטרונים המהיר ביותר בעולם, עוזר למדענים למדוד את סידור האטומים על ידי כך שהוא רואה כיצד נויטרונים קופצים מהם. NOMAD הוא אחד מ-20 המכשירים ב-SNS שעוזרים למדענים לענות על שאלות גדולות ולדרבן אינספור חידושים, כמו תרופות המטפלות במחלות בצורה יעילה יותר, מנועי מטוסים ורקטות אמינים יותר, מכוניות עם קילומטראז' גז טוב יותר וסוללות בטוחות יותר, נטענות מהר יותר ו להימשך זמן רב יותר.

התקדמות בייצור החלל

מפעילי JAXA על פני כדור הארץ יצרו והמיסו זכוכית על סיפון תחנת החלל הבינלאומית (ISS), באמצעות שלט רחוק באמצעות מרחף. מרחפים משמשים להשעיית דגימות חומרים במהלך ניסויים כדי למנוע הפרעה ממגע עם חומרים אחרים.

לאחר שהמשימה הבאה של ISS הסתיימה חודשים לאחר מכן וזכוכית החלל הובאה לכדור הארץ, החוקרים השתמשו בשילוב של טכניקות שכללו נויטרונים, קרני רנטגן ומיקרוסקופים רבי עוצמה כדי למדוד ולהשוות זכוכית שנעשתה ונמסה בשמימי מול ארצי.

"מצאנו שבאמצעות טכניקות ללא מיכל, כמו המרחף, אנו יכולים ליצור כוסות לא שגרתיות במיקרו-כבידה", אמר Takehiko Ishikawa מ-JAXA, חלוץ המרחף האלקטרוסטטי המשמש לייצור חרוזי זכוכית על סיפון ה-ISS.

החוקרים הסתמכו על NOMAD ב-SNS כדי לחקור את דגימות הזכוכית עם נויטרונים וקווי אלומה במקור הפוטון המתקדם של Argonne כדי לחקור את הדגימות עם קרני רנטגן. גם SNS וגם APS הם מתקני משתמש של DOE Office of Science.

"יש רק כל כך הרבה חומר שאתה יכול לעוף לחלל ולחזור, וזו הייתה למעשה אחת הסיבות ש-NOMAD היה כל כך מתאים לניסוי הזה", אמר סטיבן ווילק מ-Material Development Inc., ומדען אורח ב-Argonne . "החזרנו רק חרוזי זכוכית בודדים בקוטר של שמינית אינץ', שקשה מאוד למדוד אותם במונחים של מבנה אטומי. מכיוון ש-NOMAD מצטיינת במדידת דגימות קטנות במיוחד, היא אפשרה לנו להשוות בקלות חרוזים בודדים שיצרנו במעבדה לאלה שנעשו בתחנת החלל".

חושפים את מסתורי הזכוכית

זכוכית, מסתבר, לא כל כך ברורה. בניגוד למוצקים גבישיים, כמו מלח, לאטומי זכוכית אין מבנה אחיד. הסידור האטומי יוצא הדופן שלו, אם כי יציב להפליא, מתואר אולי בצורה הטובה ביותר כרשת אקראית של מולקולות החולקות אטומים מתואמים. זכוכית לא לגמרי מוצקה או נוזלית לחלוטין, זכוכית מגיעה גם בצורות שונות, כולל פולימר, תחמוצת ומתכתי, כגון לעדשות משקפיים, חוטי סיבים אופטיים וחומרה למשימות בחלל עמוק.

בשנת 2022, Neuefeind, Wilke ו-Rick Weber, מומחה לנושאים בתעשייה לזכוכית, התנסו בשתי תחמוצות של ניאודימיום וטיטניום וגילו פוטנציאל ליישומים אופטיים. השילוב של שני האלמנטים הללו מפגין עוצמות יוצאות דופן שלא נראו בקמפיינים מחקריים דומים. ממצאים אלה הובילו אותם להמשיך במחקריהם הנוכחיים עם נאס"א.

"(הניסוי ב-2022) לימד אותנו משהו באמת מדהים", אמר ובר, מ-Materials Development Inc. "לאחד המשקפיים יש רשת שונה לחלוטין מרשת רגילה בעלת ארבע קואורדינטות אופיינית לסיליקה. למשקפיים הללו יש רשת בת שש קואורדינטות. הם באמת שם בחוץ. זה מרגש מנקודת מבט של מדעי הזכוכית. אבל כעניין מעשי, זה גם אומר יותר הזדמנויות לעשות דברים חדשים עם חומרים אופטיים וסוגים חדשים של מכשירים."

מדענים משתמשים לעתים קרובות בניוטרונים וקרני רנטגן במקביל כדי לאסוף נתונים ששום טכניקה אחרת לא יכולה לייצר, מה שמאפשר לנו להבין את סידור האטומים של יסודות שונים בתוך דגימה. ניוטרונים עזרו לצוות לראות את היסודות הקלים יותר בזכוכית החלל, כמו חמצן, בעוד שקרני רנטגן עזרו להם לראות את היסודות הכבדים יותר, כגון ניאודימיום וטיטניום. אם היו קיימים הבדלים משמעותיים בין זכוכית החלל לזכוכית הארצית, סביר להניח שהם היו מופיעים בתת-סריג התחמוצת, או בסידור אטומי החמצן, בהתפלגות האטומים הכבדים, או בשניהם.

סיכום

ניוטרונים יהפכו לכלים חשובים יותר מתמיד כדי לפתוח את מסתורי החומר כאשר מדענים חוקרים גבולות חדשים, למרות החלל.

"עלינו להבין לא רק את ההשפעות של החלל על החומר, אלא גם את ההשפעות שלו על איך דברים נוצרים", אמר נויפיינד. "בגלל התכונות הייחודיות שלהם, נויטרונים הם חלק מפתרון חידות מסוג זה."