Passaggi successivi durante l'essiccazione a microonde del sol-gel:(1) il gel così preparato, (2)–(6) dopo successive esposizioni a microonde (900 W) della durata di 1 minuto. Le immagini mostrate sono per Mg0.9Fe0.1SiO3, colore marrone chiaro del prodotto essiccato dovuto al contenuto di Fe. Credito:sorgente luminosa a diamante
La polvere cosmica è la chiave dell'evoluzione chimica delle stelle, pianeti, e la vita stessa, ma la sua composizione non è ben compresa, e attualmente non possiamo raccogliere campioni per l'analisi. Alcuni esempi sono arrivati sulla Terra come particelle di polvere interplanetaria e polvere di comete, nei meteoriti, ma la loro storia complicata significa che potrebbero non essere rappresentativi.
I nostri metodi primari per studiare le proprietà della polvere cosmica, perciò, sono osservazioni astronomiche ed esperimenti di laboratorio su materiali analoghi. La polvere cosmica si divide ampiamente in grani di carbonio simili a fuliggine e i più abbondanti grani di silicato refrattario, entrambi i quali vengono espulsi dalle stelle morenti.
Le osservazioni ci dicono che sia i silicati amorfi che quelli cristallini si formano nella polvere intorno alle stelle giganti rosse in proporzioni variabili, ma che il mezzo interstellare (ISM) contiene solo silicati amorfi. In un lavoro recentemente pubblicato su Astronomia e astrofisica , un team di ricercatori Diamond guidati dal Dr. Stephen Thompson ha dimostrato che l'essiccazione a microonde può essere utilizzata per produrre silicati amorfi di Mg-Fe facilmente e in modo economico. Hanno quindi studiato la loro cristallizzazione mediante ricottura termica in situ e hanno considerato i risultati nel contesto della modellazione dei grani di polvere nei dischi protoplanetari.
La polvere è la prima materia solida formata, e lo studio della polvere cosmica è un campo molto attivo all'interno dell'astrofisica. Non possiamo replicare esattamente le condizioni di formazione della polvere cosmica qui sulla Terra, e nessun singolo metodo per produrre campioni di polvere analogici in laboratorio può simulare tutta la polvere che osserviamo intorno alle stelle e nel mezzo interstellare. Però, creando e caratterizzando questi campioni, e confrontandoli con dati astronomici per vedere dove sono simili, e dove differiscono, aumentiamo la nostra comprensione della formazione, composizione ed evoluzione delle loro controparti cosmiche
Il processo sol-gel è un metodo chimico utilizzato per produrre materiali solidi da piccole molecole. I sol-gel hanno una consistenza simile alla crema per le mani e devono essere asciugati per formare i campioni di polvere. L'essiccazione all'aria richiede circa 24 ore e richiede molto tempo per i ricercatori che desiderano produrre più campioni.
Strutture di diffusione di raggi X ad ampio e piccolo angolo alla sorgente di luce a diamante:pannello A:diffrattometro a polvere a 3 cerchi della linea di luce I11, mostra il rivelatore sensibile alla posizione ad arco di 90° utilizzato per il presente lavoro; pannello B:strumento di diffusione a piccolo angolo della linea di luce I22 mostrato configurato con la lunghezza della telecamera di 9,7 m utilizzata per il presente lavoro. Credito:sorgente luminosa a diamante
Un altro aspetto impegnativo della produzione di campioni di polvere analogici è l'inclusione di ferro, che, sulla Terra, tende a formare ruggine (ossidi di ferro) che non si vede nello spazio. Sebbene vediamo tracce di ferro nelle stelle e nei pianeti, non lo vediamo nel mezzo interstellare. Questo è il problema del "ferro mancante", e una possibile spiegazione è che il ferro sia presente nelle nanoparticelle troppo piccole per essere visibili. Un altro è che il ferro è "bloccato" nei minerali di silicato, in quantità troppo basse (inferiori al 10%) per influenzare le proprietà spettrali della polvere.
L'uso del sol-gel per incorporare il ferro nella struttura dei silicati richiede condizioni di essiccazione speciali e il Dr. Thompson e il suo team avevano precedentemente sviluppato un processo di essiccazione sotto vuoto. Tuttavia, ci sono voluti diversi giorni per essere completato dall'inizio alla fine.
I ricercatori, perciò, studiato se potevano accelerare la produzione di campioni analogici, e producono polvere di silicato ferroso, utilizzando un forno a microonde standard.
Il team di ricerca gel essiccati a microonde con e senza ferro, e ha studiato le loro proprietà utilizzando la diffrazione di raggi X da polvere e la diffusione totale di raggi X sulla linea di luce I11, diffusione di raggi X a piccolo angolo su I22, e spettroscopia FTIR nel medio IR. Hanno confrontato i campioni essiccati a microonde con i campioni prodotti dallo stesso gel, ma essiccato convenzionalmente, utilizzando un forno ad aria convenzionale e un forno a vuoto.
Gran parte del lavoro sperimentale è stato svolto da Anna Herlihy durante il suo stage Year in Industry presso Diamond. Anna era nel mezzo di una laurea alla St. Andrews University ed è venuta a Diamond per studiare la produzione di nanoparticelle amorfe. La ricerca sulla polvere cosmica è nata dal suo lavoro, e, ispirata dalla sua esperienza, Anna ha completato la sua laurea e ora sta studiando per un dottorato di ricerca. all'Università di Warwick.
Schema che mostra le temperature alle quali appaiono le caratteristiche per le fasi cristalline nei dati SXPD in situ per i silicati essiccati a microonde.
I risultati dimostrano che si tratta di un eccellente, Presto, metodo semplice ed economico per produrre campioni di polvere analogici. Il team spera che venga adottato da fisici di laboratorio altrove, ma potrebbe anche avere applicazioni industriali, per esempio. come mezzo per produrre materiali nanostrutturati.
La fase successiva di questa ricerca è stata quella di indagare su cosa succede ai campioni amorfi quando vengono riscaldati. Le osservazioni mostrano che le vecchie stelle espellono minerali di silicato amorfo. Una volta nel mezzo interstellare, questi alla fine finiscono nelle regioni di formazione stellare e si accumulano in dischi protoplanetari, dischi rotanti di gas denso e polvere attorno a giovani stelle. Nel disco i granelli di polvere si riscaldano, e infine cristallizzare in minerali riconoscibili. I dischi protoplanetari rappresentano quindi lo stadio evolutivo tra la nascita delle stelle e la formazione dei pianeti. Sappiamo che il disco è più caldo più vicino alla stella, e quindi capire la temperatura alla quale questi minerali si cristallizzano può dirci dove sarebbero nel disco, e da quanto tempo erano lì.
I ricercatori hanno scoperto che l'aggiunta anche di una piccola quantità di ferro ai minerali di silicato aumentava notevolmente la temperatura alla quale si cristallizzavano. Così tanto da, infatti, che per la maggior parte del disco eventuali silicati ferrosi rimarrebbero amorfi, concordando con le osservazioni degli astronomi che sono presenti principalmente minerali ricchi di magnesio. Il team Diamond ha anche trovato piccole quantità di cristobalite (un SiO . ad alta temperatura 2 minerale) formato nei silicati privi di ferro. Allo stesso modo piccole quantità di SiO 2 si osservano anche nei dischi protoplanetari e, in modo cruciale, sono stati trovati anche nei primi materiali cometari del sistema solare recuperati dalla missione di restituzione del campione STARDUST. Essendo i primi oggetti planetesimali ad essersi formati nel sistema solare, le comete sono state a lungo considerate come depositi di materiali lasciati dalla formazione del nostro sistema solare, un processo che sarebbe iniziato nel disco protoplanetario del Sole.
Per la squadra Diamante, questa ricerca è solo l'inizio. Continueranno ad esplorare il loro nuovo metodo a microonde, utilizzandolo per produrre campioni di polvere con diverse composizioni. Ogni campione ci avvicina di un passo alla comprensione di più sulla polvere cosmica e su come si formano i sistemi planetari. Chi avrebbe mai immaginato che un forno a microonde da cucina potesse aiutare in questo?
