|
Нейтроны открывают окно для исследования космического стекла
|
|
|
|
Благодаря изобретательности человека и невесомости мы получаем важные преимущества от научных исследований в космосе. Рассмотрим смартфоны со встроенными навигационными системами и камерами. Кажется, что такие революционные технологии за одну ночь вписались в ритм нашей повседневной жизни. Но они появились в результате многолетних открытий и разработок материалов, способных выдерживать суровые условия за пределами нашей атмосферы. Они возникли в результате десятилетий фундаментальных научных исследований, направленных на понимание того, как атомы ведут себя в различных материалах в различных условиях. Основываясь на этом опыте, глобальная команда исследователей установила новый ориентир для будущих экспериментов по созданию материалов в космосе, а не для использования в космических целях.
|
|
|
|
В состав команды входили сотрудники Окриджской и Аргоннской национальных лабораторий Министерства энергетики, компании Materials Development, Inc., НАСА, Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA), ISIS Neutron and Muon Source, Университета Альфреда и Университета Нью-Мексико. Вместе они обнаружили, что многие виды стекла, в том числе те, которые могут быть разработаны для оптических устройств следующего поколения, имеют сходную атомную структуру и расположение элементов и могут быть успешно изготовлены в космосе. Статья команды опубликована в журнале npj Microgravity.
|
|
|
"Идея состоит в том, чтобы изучить механизмы, лежащие в основе космического производства, которые могут привести к получению материалов, которые не обязательно доступны на Земле", - сказал Йорг Нойфейнд, который присоединился к ORNL в 2004 году для создания прибора под названием NOMAD на базе источника расщепляющихся нейтронов (SNS) в лаборатории. NOMAD, самый быстрый нейтронный дифрактометр в мире, помогает ученым измерять расположение атомов, наблюдая, как нейтроны отскакивают от них. NOMAD - один из 20 инструментов SNS, которые помогают ученым ответить на важные вопросы и стимулировать бесчисленные инновации, такие как лекарства, которые более эффективно лечат болезни, более надежные авиационные и ракетные двигатели, автомобили с большим расходом бензина и аккумуляторы, которые безопаснее, заряжаются быстрее и служат дольше.
|
|
|
|
Операторы JAXA на Земле изготавливали и плавили стекло на борту Международной космической станции (МКС) с помощью дистанционного управления с помощью левитатора. Левитаторы используются для подвешивания образцов материалов во время экспериментов, чтобы избежать помех от контакта с другими материалами. Когда несколько месяцев спустя завершился очередной полет на МКС и космическое стекло было доставлено на Землю, исследователи использовали комбинацию методов, включающих нейтроны, рентгеновские лучи и мощные микроскопы, для измерения и сравнения стекла, изготовленного и расплавленного небесными и земными методами. "Мы обнаружили, что с помощью бесконтейнерных технологий, таких как левитатор, мы можем создавать нетрадиционные очки в условиях микрогравитации", - сказал Такехико Исикава из JAXA, создатель электростатического левитатора, который использовался для изготовления стеклянных шариков на борту МКС.
|
|
|
|
Исследователи использовали NOMAD из SNS для изучения стеклянных образцов с помощью нейтронов и beamlines из усовершенствованного источника фотонов в Аргонне для изучения образцов с помощью рентгеновских лучей. Как SNS, так и APS являются пользовательскими установками Министерства энергетики США. "Существует не так много материала, который можно отправить в космос и вернуть обратно, и это было одной из причин, по которой NOMAD так хорошо подходил для этого эксперимента", - сказал Стивен Уилк из Materials Development Inc., приглашенный ученый из Аргонна. "Мы получали всего лишь отдельные стеклянные шарики диаметром около одной восьмой дюйма, которые очень трудно измерить с точки зрения атомной структуры. Поскольку NOMAD отлично справляется с измерением очень маленьких образцов, это позволило нам легко сравнить отдельные бусины, которые мы изготовили в лаборатории, с теми, что были изготовлены на космической станции".
|
|
|
|
Стекло, как оказалось, не имеет такой четкой структуры. В отличие от кристаллических тел, таких как соль, атомы стекла не имеют однородной структуры. Его необычное расположение атомов, хотя и удивительно стабильное, возможно, лучше всего описать как случайную сеть молекул, которые имеют общие координаты атомов. Стекло, которое не является ни полностью твердым, ни полностью жидким, также бывает различных форм, включая полимерные, оксидные и металлические, например, для изготовления линз для очков, волоконно-оптических нитей и оборудования для полетов в дальний космос. В 2022 году Нойфейнд, Уилке и Рик Вебер, отраслевые эксперты по стеклу, провели эксперименты с двумя оксидами неодима и титана и обнаружили потенциал для применения в оптике. Сочетание этих двух элементов демонстрирует необычные преимущества, которые не наблюдались в аналогичных исследовательских кампаниях. Эти результаты побудили их продолжить свои текущие исследования совместно с НАСА.
|
|
|
|
"[Эксперимент, проведенный в 2022 году] научил нас кое-чему действительно замечательному, - сказал Вебер из Materials Development Inc. - Одно из стекол имеет сетку, которая полностью отличается от обычной четырехкоординатной сетки, типичной для кремнезема. Эти стекла имеют шестикоординатную сетку. Они действительно существуют. Это захватывающе с точки зрения науки о стекле. Но с практической точки зрения это также означает больше возможностей для создания новых оптических материалов и устройств нового типа". Ученые часто используют нейтроны и рентгеновские лучи параллельно для сбора данных, которые не могут быть получены другими методами, что позволяет нам понять расположение атомов различных элементов в образце.
|
|
|
|
Нейтроны помогли команде увидеть более легкие элементы в космическом стекле, такие как кислород, в то время как рентгеновские лучи помогли им увидеть более тяжелые элементы, такие как неодим и титан. Если бы между космическим стеклом и земным стеклом существовали существенные различия, они, вероятно, проявились бы в оксидной подрешетке, или расположении атомов кислорода, или в распределении тяжелых атомов, или в том и другом сразу. Нейтроны будут становиться все более важными инструментами для раскрытия тайн материи, поскольку ученые исследуют новые рубежи, несмотря на космос. "Мы должны понимать не только влияние космоса на материю, но и его влияние на то, как формируются объекты", - сказал Нойфейнд. "Благодаря своим уникальным свойствам нейтроны являются частью решения подобных головоломок".
|
|
|
|
Источник
|
