Tali tecnologie trasformative sembrano fondersi con il ritmo della nostra vita quotidiana da un giorno all’altro. Ma sono emersi da anni di scoperte e sviluppi di materiali in grado di resistere ad ambienti difficili al di fuori della nostra atmosfera. Si evolvono dopo decenni trascorsi a gettare le basi della scienza di base per comprendere come si comportano gli atomi in materiali diversi in condizioni diverse.

Basandosi su questo passato, un team globale di ricercatori ha stabilito un nuovo punto di riferimento per i futuri esperimenti che producono materiali nello spazio anziché per lo spazio. Il team comprendeva membri dei laboratori nazionali Oak Ridge e Argonne del Dipartimento dell'Energia, Materials Development, Inc., NASA, Japan Aerospace Exploration Agency o JAXA, ISIS Neutron and Muon Source, Alfred University e University of New Mexico. Insieme, hanno scoperto che molti tipi di vetro, compresi quelli che potrebbero essere sviluppati per dispositivi ottici di prossima generazione, hanno struttura e disposizioni atomiche simili e possono essere realizzati con successo nello spazio.

L'articolo del team è pubblicato sulla rivista npj Microgravity .

"L'idea è quella di sondare i meccanismi alla base della produzione spaziale, che può portare a materiali che non sono necessariamente disponibili sulla Terra", ha affermato Jörg Neuefeind, che si è unito all'ORNL nel 2004 per costruire uno strumento chiamato NOMAD presso lo Spallation Neutron Source del laboratorio. (SNS). NOMAD, il diffrattometro di neutroni più veloce al mondo, aiuta gli scienziati a misurare la disposizione degli atomi osservando come i neutroni rimbalzano su di essi. NOMAD è uno dei 20 strumenti del SNS che aiutano gli scienziati a rispondere a grandi domande e a stimolare innumerevoli innovazioni, come farmaci che curano più efficacemente le malattie, aerei e motori a razzo più affidabili, automobili con un migliore consumo di carburante e batterie più sicure, che si caricano più velocemente e durano più a lungo .

Gli operatori JAXA sulla Terra hanno prodotto e fuso il vetro a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS), tramite controllo remoto utilizzando un levitatore. I levitatori vengono utilizzati per sospendere campioni di materiale durante gli esperimenti per evitare interferenze derivanti dal contatto con altri materiali.

Una volta terminata, mesi dopo, la successiva missione della ISS e portato il vetro spaziale sulla Terra, i ricercatori hanno utilizzato una combinazione di tecniche che includevano neutroni, raggi X e potenti microscopi per misurare e confrontare il vetro prodotto e fuso celestialmente con quello terrestre.

"Abbiamo scoperto che con tecniche senza contenitore, come il levitatore, possiamo creare vetri non convenzionali in condizioni di microgravità", ha affermato Takehiko Ishikawa di JAXA, pioniere del levitatore elettrostatico utilizzato per realizzare le perle di vetro a bordo della ISS.

I ricercatori si sono affidati a NOMAD presso SNS per studiare i campioni di vetro con neutroni e linee di luce presso l'Advanced Photon Source di Argonne per studiare i campioni con raggi X. Sia SNS che APS sono strutture per gli utenti del DOE Office of Science.

"C'è solo un certo limite di materiale che puoi volare nello spazio e riportare indietro, e questo è stato in realtà uno dei motivi per cui NOMAD era così adatto a questo esperimento", ha affermato Stephen Wilke di Materials Development Inc., e uno scienziato in visita ad Argonne. . "Stavamo recuperando solo singole perle di vetro di circa un ottavo di pollice di diametro, che sono molto difficili da misurare in termini di struttura atomica. Poiché NOMAD eccelle nella misurazione di campioni estremamente piccoli, ci ha permesso di confrontare facilmente le singole perle che abbiamo realizzato nel laboratorio. lab con quelli realizzati sulla stazione spaziale."

Misteri del vetro

Il vetro, a quanto pare, non è così netto. A differenza dei solidi cristallini, come il sale, gli atomi di vetro non hanno una struttura uniforme. La sua insolita disposizione atomica, sebbene notevolmente stabile, è forse meglio descritta come una rete casuale di molecole che condividono atomi coordinati. Né interamente solido né interamente liquido, il vetro è disponibile anche in diverse forme, tra cui polimerico, ossido e metallico, come per lenti per occhiali, fili di fibra ottica e hardware per missioni nello spazio profondo.

Nel 2022, Neuefeind, Wilke e Rick Weber, un esperto del settore del vetro, hanno sperimentato due ossidi di neodimio e titanio e hanno scoperto un potenziale per applicazioni ottiche. La combinazione di questi due elementi mostra punti di forza insoliti non riscontrati in campagne di ricerca simili. Questi risultati li hanno portati a proseguire gli studi attuali con la NASA.

"[L'esperimento del 2022] ci ha insegnato qualcosa di veramente straordinario", ha affermato Weber, di Materials Development Inc. "Uno degli occhiali ha una rete completamente diversa da una normale rete a quattro coordinate tipica della silice. Questi occhiali hanno sei -rete coordinata. Sono davvero là fuori. È entusiasmante dal punto di vista della scienza del vetro, ma dal punto di vista pratico significa anche maggiori opportunità per fare cose nuove con materiali ottici e nuovi tipi di dispositivi."

Gli scienziati spesso usano neutroni e raggi X in parallelo per raccogliere dati che altre tecniche non possono produrre, permettendoci di comprendere la disposizione degli atomi di diversi elementi all'interno di un campione. I neutroni hanno aiutato il team a vedere gli elementi più leggeri nel vetro spaziale, come l’ossigeno, mentre i raggi X li hanno aiutati a vedere gli elementi più pesanti, come il neodimio e il titanio. Se esistessero differenze significative tra il vetro spaziale e il vetro terrestre, probabilmente si sarebbero manifestate nel sottoreticolo dell'ossido, o nella disposizione degli atomi di ossigeno, nella distribuzione degli atomi pesanti, o in entrambi.

I neutroni diventeranno strumenti sempre più importanti per svelare i misteri della materia mentre gli scienziati esplorano nuove frontiere, nonostante lo spazio.

"Dobbiamo comprendere non solo gli effetti dello spazio sulla materia, ma anche i suoi effetti su come si formano le cose", ha detto Neuefeind. "A causa delle loro proprietà uniche, i neutroni contribuiscono a risolvere questo tipo di enigmi."