Dergelijke transformationele technologieën lijken van de ene op de andere dag op te gaan in het ritme van ons dagelijks leven. Maar ze zijn voortgekomen uit jarenlange ontdekkingen en ontwikkelingen van materialen die bestand zijn tegen zware omstandigheden buiten onze atmosfeer. Ze zijn voortgekomen uit decennia van het leggen van fundamenten in de fundamentele wetenschap om te begrijpen hoe atomen zich in verschillende materialen onder verschillende omstandigheden gedragen.

Voortbouwend op dit verleden heeft een wereldwijd team van onderzoekers een nieuwe maatstaf gezet voor toekomstige experimenten waarbij materialen in de ruimte worden gemaakt in plaats van voor de ruimte. Het team bestond uit leden van de nationale laboratoria Oak Ridge en Argonne van het Department of Energy, Materials Development, Inc., NASA, het Japan Aerospace Exploration Agency, of JAXA, ISIS Neutron and Muon Source, Alfred University en de University of New Mexico. Samen ontdekten ze dat veel soorten glas, waaronder soorten die kunnen worden ontwikkeld voor optische apparaten van de volgende generatie, een vergelijkbare atomaire structuur en arrangementen hebben en met succes in de ruimte kunnen worden gemaakt.

Het artikel van het team is gepubliceerd in het tijdschrift npj Microgravity .

"Het idee is om de mechanismen achter ruimtegebaseerde productie uit te zoeken, wat kan leiden tot materialen die niet noodzakelijkerwijs beschikbaar zijn op aarde", zegt Jörg Neuefeind, die in 2004 bij ORNL kwam om een ​​instrument te bouwen genaamd NOMAD in de Spallation Neutron Source van het laboratorium. (SNS). NOMAD, de snelste neutronendiffractometer ter wereld, helpt wetenschappers de rangschikking van atomen te meten door te zien hoe neutronen erop stuiteren. NOMAD is een van de twintig instrumenten bij SNS die wetenschappers helpen grote vragen te beantwoorden en talloze innovaties aan te moedigen, zoals medicijnen die ziekten effectiever behandelen, betrouwbaardere vliegtuigen en raketmotoren, auto's met een lager benzineverbruik en batterijen die veiliger zijn, sneller opladen en langer meegaan. .

JAXA-operators op aarde maakten en smolten glas aan boord van het Internationale Ruimtestation (ISS), via afstandsbediening met behulp van een levitator. Levitators worden gebruikt om materiaalmonsters op te hangen tijdens experimenten om interferentie door contact met andere materialen te voorkomen.

Toen de volgende ISS-missie maanden later eindigde en het ruimteglas naar de aarde werd gebracht, gebruikten onderzoekers een combinatie van technieken, waaronder neutronen, röntgenstralen en krachtige microscopen, om glas te meten en te vergelijken dat hemels en aards was gemaakt en gesmolten.

"We ontdekten dat we met containerloze technieken, zoals de levitator, onconventionele glazen in microzwaartekracht kunnen creëren", zegt Takehiko Ishikawa van JAXA, pionier van de elektrostatische levitator die wordt gebruikt om de glaskralen aan boord van het ISS te maken.

De onderzoekers vertrouwden op NOMAD bij SNS om de glasmonsters met neutronen en bundellijnen bij Argonne's Advanced Photon Source te bestuderen om de monsters met röntgenstralen te bestuderen. Zowel SNS als APS zijn gebruikersfaciliteiten van het DOE Office of Science.

"Er is maar een beperkte hoeveelheid materiaal die je de ruimte in kunt vliegen en weer terug kunt krijgen, en dat was eigenlijk een van de redenen waarom NOMAD zo geschikt was voor dit experiment", zegt Stephen Wilke van Materials Development Inc., en een gastwetenschapper bij Argonne. . ‘We kregen slechts enkele glaskralen terug van ongeveer een centimeter in diameter, die erg moeilijk te meten zijn in termen van atomaire structuur. Omdat NOMAD uitblinkt in het meten van extreem kleine monsters, konden we eenvoudig de afzonderlijke kralen vergelijken die we in de lab met die gemaakt op het ruimtestation."

Mysteries van glas

Glas blijkt niet zo duidelijk te zijn. In tegenstelling tot kristallijne vaste stoffen, zoals zout, hebben glasatomen geen uniforme structuur. De ongebruikelijke atomaire rangschikking, hoewel opmerkelijk stabiel, kan misschien het best worden omschreven als een willekeurig netwerk van moleculen die gecoördineerde atomen delen. Glas is niet geheel vast en ook niet geheel vloeibaar. Glas bestaat ook in verschillende vormen, waaronder polymeer, oxide en metaal, zoals voor brillenglazen, glasvezeldraden en hardware voor ruimtemissies.

In 2022 experimenteerden Neuefeind, Wilke en Rick Weber, een expert op het gebied van glas, met twee oxiden van neodymium en titanium en ontdekten ze een potentieel voor optische toepassingen. De combinatie van deze twee elementen vertoont ongebruikelijke sterke punten die niet in vergelijkbare onderzoekscampagnes te zien zijn. Deze bevindingen brachten hen ertoe hun huidige onderzoek bij NASA voort te zetten.

"[Het experiment in 2022] heeft ons iets heel opmerkelijks geleerd", zegt Weber van Materials Development Inc. "Eén van de brillen heeft een netwerk dat compleet anders is dan een normaal netwerk met vier coördinaten dat typisch is voor silica. Deze brillen hebben een netwerk van zes -coördineert netwerk. Ze zijn er echt. Het is spannend vanuit een glaswetenschappelijk perspectief. Maar in de praktijk betekent het ook meer mogelijkheden om nieuwe dingen te doen met optische materialen en nieuwe soorten apparaten."

Wetenschappers gebruiken neutronen en röntgenstraling vaak parallel om gegevens te verzamelen die geen enkele andere techniek kan produceren, waardoor we de rangschikking van atomen van verschillende elementen binnen een monster kunnen begrijpen. Neutronen hielpen het team de lichtere elementen in het ruimteglas te zien, zoals zuurstof, terwijl röntgenstralen hen hielpen de zwaardere elementen te zien, zoals neodymium en titanium. Als er significante verschillen zouden bestaan ​​tussen het ruimteglas en het aardse glas, zouden deze zich waarschijnlijk hebben voorgedaan in het oxide-subrooster, of de rangschikking van de zuurstofatomen, in de verdeling van de zware atomen, of beide.

Neutronen zullen steeds belangrijkere instrumenten worden om de mysteries van de materie te ontsluiten, terwijl wetenschappers nieuwe grenzen verkennen, ondanks de ruimte.

"We moeten niet alleen de effecten van de ruimte op de materie begrijpen, maar ook de effecten ervan op de manier waarop dingen zich vormen", zei Neuefeind. "Vanwege hun unieke eigenschappen maken neutronen deel uit van het oplossen van dit soort puzzels."