Ученые смогли сделать стекло в космосе
Группа ученых из девяти правительственных, научных и промышленных учреждений обнаружила, что многие виды стекла имеют схожую атомную структуру. Исследователи разработали методы производства различных типов стекла в космосе, открыв потенциал для развития оптических технологий.
Международная группа исследователей установила новый стандарт для будущих экспериментов по созданию материалов в космосе, а не для космоса. Вместе они обнаружили, что многие виды стекла, в том числе те, которые могут быть разработаны для оптических устройств нового поколения, имеют схожую атомную структуру и расположение и могут быть успешно изготовлены в космосе.
«Идея состоит в том, чтобы выяснить механизмы космического производства, которое может привести к созданию материалов, не всегда доступных на Земле», — говорит Йорг Нойфайнд, который создал прибор под названием NOMAD в лаборатории Spallation Neutron Source (SNS).
NOMAD — один из 20 приборов SNS, которые помогают ученым отвечать на важные вопросы и стимулируют бесчисленные инновации, такие как лекарства, которые эффективнее лечат болезни, более надежные авиационные и ракетные двигатели, автомобили с лучшим пробегом и батареи, которые безопаснее, быстрее заряжаются и дольше служат.
Операторы JAXA на Земле изготовили и расплавили стекло на борту Международной космической станции (МКС) с помощью дистанционного управления левитатором. Левитаторы используются для подвешивания образцов материалов во время экспериментов, чтобы избежать помех от контакта с другими материалами.
Когда через несколько месяцев закончился очередной полет МКС и космическое стекло было доставлено на Землю, исследователи использовали комбинацию методов, включающую нейтроны, рентгеновские лучи и мощные микроскопы, чтобы измерить и сравнить стекло, изготовленное и расплавленное в космосе и на земле.
«Мы обнаружили, что с помощью бесконтейнерных методов, таких как левитатор, мы можем создавать нетрадиционные стекла в условиях микрогравитации», — сказал Такехико Исикава из JAXA, создатель электростатического левитатора, который использовался для изготовления стеклянных шариков на борту МКС.
Для изучения образцов стекла с помощью нейтронов исследователи использовали NOMAD в SNS, а для изучения образцов с помощью рентгеновских лучей — пучковые линии в Advanced Photon Source в Аргонне. SNS и APS являются пользовательскими установками Управления по науке Министерства энергетики.
«Это одна из причин, почему NOMAD так хорошо подходит для этого эксперимента, — говорит Стивен Уилки из компании Materials Development Inc. — Мы получали лишь отдельные стеклянные шарики диаметром около восьми дюймов, которые очень сложно измерить с точки зрения атомной структуры. Поскольку NOMAD отлично справляется с измерением очень маленьких образцов, это позволило нам легко сравнить отдельные бусины, которые мы сделали в лаборатории, с теми, что были сделаны на космической станции».
В отличие от кристаллических твердых тел, таких как соль, атомы стекла не имеют однородной структуры. Его необычное атомное расположение, хотя и стабильное, возможно, лучше всего описать как случайную сеть молекул, имеющих общие координационные атомы.
Не являясь ни полностью твердым, ни полностью жидким, стекло также бывает разных форм, включая полимерные, оксидные и металлические, например для изготовления линз очков, оптоволоконных нитей и оборудования для полетов в космос.
В 2022 году Нойфайнд, Уилки и Рик Вебер экспериментировали с двумя оксидами — неодима и титана — и обнаружили потенциал для оптического применения. Сочетание этих двух элементов обладает необычной прочностью, которая не наблюдалась в аналогичных исследовательских кампаниях. Эти выводы побудили их продолжить нынешние исследования с NASA.
«Эксперимент в 2022 году позволил нам узнать нечто действительно удивительное, — говорит Вебер. — Одно из стекол имеет сеть, которая совершенно не похожа на обычную четырехкоординатную сеть, характерную для кремнезема. Эти стекла имеют шестикоординатную сеть. Они действительно необычны».
«Это интересно с точки зрения науки о стеклах. Но с практической точки зрения это также означает больше возможностей для создания новых оптических материалов и новых видов устройств», — добавил он.
Ученые часто используют нейтроны и рентгеновские лучи параллельно, чтобы собрать данные, которые не могут получить другими методами, позволяющие понять расположение атомов различных элементов в образце. Нейтроны помогли команде увидеть более легкие элементы в космическом стекле, такие как кислород, а рентгеновские лучи — более тяжелые элементы, такие как неодим и титан.
Если бы между космическим и земным стеклом существовали существенные различия, они, скорее всего, проявились бы в оксидной подрешетке или расположении атомов кислорода, в распределении тяжелых атомов или в том и другом.
По мнению исследователей, нейтроны будут становиться все более важным инструментом для раскрытия тайн материи по мере того, как ученые будут осваивать новые рубежи.
«Мы должны понимать не только влияние космоса на материю, но и его воздействие на то, как формируются вещи, — говорит Нойфайнд. — Благодаря своим уникальным свойствам нейтроны являются частью решения подобных загадок».
Ранее изученные марсоходом Curiosity породы древнего, давно высохшего дна озера на Марсе показали, что миллиарды лет назад там, вероятно, были условия, пригодные для жизни. Там, в камнях кратера Гейла, обнаружили оксид марганца — минерал, который обычно встречается в озерах на Земле из-за сильно окисляющих условий.
