Kosmisch stof is de sleutel tot de chemische evolutie van sterren, planeten, en het leven zelf, maar de samenstelling ervan wordt niet goed begrepen, en we kunnen momenteel geen monsters verzamelen voor analyse. Een paar voorbeelden zijn op aarde aangekomen als interplanetaire stofdeeltjes en kometenstof, in meteorieten, maar hun gecompliceerde geschiedenis betekent dat ze misschien niet representatief zijn.

Onze primaire methoden om de eigenschappen van kosmisch stof te onderzoeken, daarom, zijn astronomische waarnemingen en laboratoriumexperimenten op analoge materialen. Kosmisch stof splitst zich in grote lijnen in roetachtige koolstofkorrels en de meer overvloedige vuurvaste silicaatkorrels, die beide worden uitgeworpen uit stervende sterren.

Waarnemingen vertellen ons dat zowel amorfe als kristallijne silicaten zich in verschillende verhoudingen in het stof rond rode reuzensterren vormen, maar dat het interstellaire medium (ISM) alleen amorfe silicaten bevat. In werk onlangs gepubliceerd in Astronomie en astrofysica , een team van Diamond-onderzoekers onder leiding van Dr. Stephen Thompson toonde aan dat microgolfdrogen kan worden gebruikt om goedkoop en gemakkelijk amorfe Mg-Fe-silicaten te produceren. Vervolgens onderzochten ze hun kristallisatie door in situ thermisch uitgloeien en beschouwden ze de resultaten in de context van het modelleren van stofkorrels in protoplanetaire schijven.

Stof is de eerste vaste stof die wordt gevormd, en het onderzoeken van kosmisch stof is een zeer actief veld binnen de astrofysica. We kunnen de vormingsomstandigheden van kosmisch stof hier op aarde niet exact nabootsen, en geen enkele methode voor het produceren van analoge stofmonsters in het laboratorium kan al het stof simuleren dat we rond sterren en in het interstellaire medium waarnemen. Echter, door deze monsters te maken en te karakteriseren, en ze te vergelijken met astronomische gegevens om te zien waar ze op elkaar lijken, en waar ze verschillen, we vergroten ons begrip van de formatie, samenstelling en evolutie van hun kosmische tegenhangers

Het sol-gel-proces is een chemische methode die wordt gebruikt om vaste materialen te produceren uit kleine moleculen. Sol-gels hebben een consistentie die vergelijkbaar is met handcrème en moeten worden gedroogd om de stofmonsters te vormen. Het drogen aan de lucht duurt ongeveer 24 uur en is tijdrovend voor onderzoekers die meerdere monsters willen maken.

Een ander uitdagend aspect van het produceren van analoge stofmonsters is de opname van ijzer, die - op aarde - de neiging heeft om roest (ijzeroxiden) te vormen die niet in de ruimte wordt gezien. Hoewel we sporen van ijzer zien in sterren en planeten, we zien het niet in het interstellaire medium. Dit is het 'ontbrekende ijzer'-probleem, en een mogelijke verklaring is dat het ijzer aanwezig is in nanodeeltjes die te klein zijn om te zien. Een andere is dat ijzer 'opgesloten' zit in silicaatmineralen, in te kleine hoeveelheden (minder dan 10%) om de spectrale eigenschappen van het stof te beïnvloeden.

Het gebruik van sol-gel om ijzer in de silicaatstructuur op te nemen vereist speciale droogomstandigheden en Dr. Thompson en zijn team hadden eerder een vacuümdroogproces ontwikkeld. Dit duurde echter enkele dagen om van begin tot eind te voltooien.

De onderzoekers, daarom, onderzocht of ze de productie van analoge samples konden versnellen, en ijzerhoudend silicaatstof produceren, gebruik van een kant-en-klare magnetron.

Het onderzoeksteam microgolfgedroogde gels met en zonder ijzer, en hun eigenschappen onderzocht met behulp van röntgenpoederdiffractie en totale röntgenverstrooiing op bundellijn I11, kleine-hoek röntgenverstrooiing op I22, en mid-IR FTIR-spectroscopie. Ze vergeleken de in de magnetron gedroogde monsters met monsters geproduceerd uit dezelfde gel, maar conventioneel gedroogd, met behulp van conventionele luchtoven en vacuümoven.

Veel van het experimentele werk werd uitgevoerd door Anna Herlihy tijdens haar Year in Industry stage bij Diamond. Anna zat midden in een studie aan de St. Andrews University en kwam naar Diamond om de productie van amorfe nanodeeltjes te onderzoeken. Het kosmische stofonderzoek is voortgekomen uit haar werk, en - geïnspireerd door haar ervaring - heeft Anna haar diploma behaald en studeert ze nu voor een Ph.D. aan de Warwick-universiteit.

De resultaten tonen aan dat dit een uitstekende, snel, eenvoudige en goedkope methode voor het maken van analoge stofmonsters. Het team hoopt dat het door laboratoriumfysici elders wordt overgenomen, maar het kan ook industriële toepassingen hebben, bijv. als middel om nanogestructureerde materialen te produceren.

De volgende fase van dit onderzoek was om te onderzoeken wat er met de amorfe monsters gebeurt als ze worden verwarmd. Waarnemingen laten zien dat oude sterren amorfe silicaatmineralen uitstoten. Eenmaal in het interstellaire medium, deze komen uiteindelijk in stervormingsgebieden terecht en hopen zich op in protoplanetaire schijven, roterende schijven van dicht gas en stof rond jonge sterren. In de schijf warmen de stofkorrels op, en uiteindelijk kristalliseren tot herkenbare mineralen. Protoplanetaire schijven vertegenwoordigen dus het evolutionaire stadium tussen stergeboorte en planeetvorming. We weten dat de schijf heter is dichter bij de ster, en dus als we de temperatuur begrijpen waarbij deze mineralen kristalliseren, kunnen we ons vertellen waar ze zich in de schijf zouden bevinden, en hoe lang ze daar waren.

De onderzoekers ontdekten dat het toevoegen van zelfs een kleine hoeveelheid ijzer aan de silicaatmineralen de temperatuur waarbij ze kristalliseerden dramatisch verhoogde. Zo veel, in feite, dat in het grootste deel van de schijf alle ijzerhoudende silicaten amorf zouden blijven, overeenkomend met de waarnemingen van astronomen dat er voornamelijk magnesiumrijke mineralen aanwezig zijn. Het Diamond-team vond ook kleine hoeveelheden crystobaliet (een hoge temperatuur SiO ₂ mineraal) gevormd in de ijzervrije silicaten. Evenzo kleine hoeveelheden SiO ₂ worden ook waargenomen in protoplanetaire schijven en, cruciaal, werden ook gevonden in de komeetmaterialen van het vroege zonnestelsel die werden teruggevonden tijdens de STARDUST-monsterretourmissie. Omdat het de eerste planetesimale objecten zijn die in het zonnestelsel zijn gevormd, kometen worden al lang beschouwd als opslagplaatsen van materialen die zijn overgebleven van de vorming van ons eigen zonnestelsel, een proces dat zou zijn begonnen in de protoplanetaire schijf van de zon.

Voor het Diamond-team, dit onderzoek is nog maar het begin. Ze zullen doorgaan met het verkennen van hun nieuwe microgolfmethode, gebruiken om stofmonsters met verschillende samenstellingen te produceren. Elk monster brengt ons een stap dichter bij het begrijpen van meer over kosmisch stof en hoe planetaire systemen worden gevormd. Wie had gedacht dat een keukenmagnetron daarbij zou kunnen helpen?