Pasos sucesivos durante el secado por microondas de sol-gel:(1) el gel preparado, (2) - (6) después de sucesivas exposiciones a microondas (900 W) de 1 min de duración. Las imágenes mostradas son para Mg0.9Fe0.1SiO3, El color marrón claro del producto seco se debe al contenido de Fe. Crédito:Fuente de luz de diamante
El polvo cósmico es la clave de la evolución química de las estrellas, planetas y la vida misma, pero su composición no se comprende bien, y actualmente no podemos recolectar muestras para su análisis. Algunos ejemplos han llegado a la Tierra como partículas de polvo interplanetario y polvo de cometa, en meteoritos, pero su complicada historia significa que pueden no ser representativos.
Nuestros métodos principales para investigar las propiedades del polvo cósmico, por lo tanto, son observaciones astronómicas y experimentos de laboratorio sobre materiales analógicos. El polvo cósmico se divide ampliamente en granos de carbono similares al hollín y los granos de silicato refractario más abundantes, ambos son expulsados de estrellas moribundas.
Las observaciones nos dicen que tanto los silicatos amorfos como los cristalinos se forman en el polvo alrededor de las estrellas gigantes rojas en proporciones variables. pero que el medio interestelar (ISM) contiene solo silicatos amorfos. En un trabajo publicado recientemente en Astronomía y Astrofísica , un equipo de investigadores de Diamond dirigido por el Dr. Stephen Thompson demostró que el secado por microondas se puede utilizar para producir silicatos amorfos de Mg-Fe de forma fácil y económica. Luego investigaron su cristalización mediante recocido térmico in situ y consideraron los resultados en el contexto del modelado de granos de polvo en discos protoplanetarios.
El polvo es la primera materia sólida que se forma, e investigar el polvo cósmico es un campo muy activo dentro de la astrofísica. No podemos replicar exactamente las condiciones de formación del polvo cósmico aquí en la Tierra, y ningún método único para producir muestras de polvo analógicas en el laboratorio puede simular todo el polvo que observamos alrededor de las estrellas y en el medio interestelar. Sin embargo, creando y caracterizando estas muestras, y compararlos con datos astronómicos para ver dónde son similares, y donde se diferencian, aumentamos nuestra comprensión de la formación, composición y evolución de sus contrapartes cósmicas
El proceso sol-gel es un método químico utilizado para producir materiales sólidos a partir de moléculas pequeñas. Los sol-geles tienen una consistencia similar a la crema de manos y deben secarse para formar las muestras de polvo. El secado al aire tarda aproximadamente 24 horas y requiere mucho tiempo para los investigadores que desean producir varias muestras.
Instalaciones de dispersión de rayos X de ángulo amplio y pequeño en una fuente de luz de diamante:panel A:difractómetro de polvo de 3 círculos de línea de luz I11, mostrando el detector sensible a la posición de arco de 90 ° utilizado para el presente trabajo; panel B:instrumento de dispersión de ángulo pequeño de la línea de luz I22 que se muestra configurado con la longitud de la cámara de 9,7 m utilizada para el presente trabajo. Crédito:Fuente de luz de diamante
Otro aspecto desafiante de la producción de muestras de polvo analógicas es la inclusión de hierro, que, en la Tierra, tiende a formar óxido (óxidos de hierro) que no se ve en el espacio. Aunque vemos evidencia de hierro en estrellas y planetas, no lo vemos en el medio interestelar. Este es el problema del 'hierro faltante', y una posible explicación es que el hierro está presente en nanopartículas demasiado pequeñas para verlas. Otro es que el hierro está 'encerrado' en los minerales de silicato, en cantidades demasiado bajas (menos del 10%) para afectar las propiedades espectrales del polvo.
El uso de sol-gel para incorporar hierro a la estructura de silicato requiere condiciones de secado especiales y el Dr. Thompson y su equipo habían desarrollado previamente un proceso de secado al vacío. Sin embargo, esto tardó varios días en completarse de principio a fin.
Los investigadores, por lo tanto, investigó si podían acelerar la producción de muestras analógicas, y producen polvo de silicato que contiene hierro, usando un horno de microondas estándar.
El equipo de investigación geles secados en microondas con y sin hierro, e investigó sus propiedades utilizando difracción de rayos X en polvo y dispersión total de rayos X en la línea de luz I11, dispersión de rayos X de ángulo pequeño en I22, y espectroscopía FTIR de IR medio. Compararon las muestras secadas por microondas con muestras producidas a partir del mismo gel, pero secado convencionalmente, utilizando horno convencional en aire y horno de vacío.
Gran parte del trabajo experimental fue realizado por Anna Herlihy durante su colocación de Año en la Industria en Diamond. Anna estaba en la mitad de una licenciatura en la Universidad de St. Andrews y vino a Diamond para investigar la producción de nanopartículas amorfas. La investigación del polvo cósmico surgió de su trabajo, e, inspirada por su experiencia, Anna ha completado su licenciatura y ahora está estudiando un doctorado. en la Universidad de Warwick.
Esquema que muestra las temperaturas a las que aparecen las características de las fases cristalinas en los datos de SXPD in situ para los silicatos secados por microondas.
Los resultados demuestran que se trata de una excelente rápido, Método fácil y económico para producir muestras de polvo analógicas. El equipo espera que sea adoptado por físicos de laboratorio en otros lugares, pero también podría tener aplicaciones industriales, p.ej. como medio para producir materiales nanoestructurados.
La siguiente etapa de esta investigación fue investigar qué sucede con las muestras amorfas cuando se calientan. Las observaciones muestran que las estrellas viejas expulsan minerales de silicato amorfos. Una vez en el medio interestelar, estos eventualmente terminan en regiones de formación de estrellas y se acumulan en discos protoplanetarios, discos giratorios de gas denso y polvo alrededor de estrellas jóvenes. En el disco se calientan los granos de polvo, y eventualmente cristalizar en minerales reconocibles. Los discos protoplanetarios representan así la etapa evolutiva entre el nacimiento de las estrellas y la formación del planeta. Sabemos que el disco está más caliente cerca de la estrella, y, por lo tanto, comprender la temperatura a la que estos minerales cristalizan puede decirnos dónde estarían en el disco, y cuánto tiempo estuvieron allí.
Los investigadores encontraron que agregar incluso una pequeña cantidad de hierro a los minerales de silicato aumentaba drásticamente la temperatura a la que cristalizaban. Tanto así, De hecho, que en la mayor parte del disco cualquier silicato que contenga hierro permanecería amorfo, coincidiendo con las observaciones de los astrónomos de que la mayoría de los minerales ricos en magnesio están presentes. El equipo de Diamond también encontró pequeñas cantidades de cristobalita (un SiO de alta temperatura 2 mineral) formado en los silicatos sin hierro. Cantidades igualmente pequeñas de SiO 2 también se observan en discos protoplanetarios y, crucialmente, También se encontraron en los primeros materiales cometarios del sistema solar recuperados por la misión de retorno de muestras STARDUST. Siendo los primeros objetos planetesimales que se formaron en el sistema solar, Los cometas han sido considerados durante mucho tiempo como depósitos de materiales que quedaron de la formación de nuestro propio sistema solar, un proceso que habría comenzado en el disco protoplanetario del Sol.
Para el equipo Diamond, esta investigación es solo el comienzo. Continuarán explorando su nuevo método de microondas, utilizándolo para producir muestras de polvo con diferentes composiciones. Cada muestra nos acerca un paso más a comprender más sobre el polvo cósmico y cómo se forman los sistemas planetarios. ¿Quién hubiera imaginado que un microondas de cocina podría ayudar con eso?
