Gracias al ingenio humano y la gravedad cero, obtenemos importantes beneficios de la ciencia en el espacio. Considere los teléfonos inteligentes con cámaras y sistemas de navegación integrados.
Estas tecnologías transformadoras parecen integrarse al ritmo de nuestra vida cotidiana de la noche a la mañana. Pero surgieron de años de descubrimientos y desarrollos de materiales que pueden soportar entornos hostiles fuera de nuestra atmósfera. Evolucionan a partir de décadas de sentar bases en ciencia básica para comprender cómo se comportan los átomos en diferentes materiales bajo diferentes condiciones.
Aprovechando este pasado, un equipo global de investigadores ha establecido un nuevo punto de referencia para experimentos futuros que fabriquen materiales en el espacio en lugar de para el espacio. El equipo incluía miembros de los laboratorios nacionales Oak Ridge y Argonne del Departamento de Energía, Materials Development, Inc., la NASA, la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón o JAXA, ISIS Neutron and Muon Source, la Universidad Alfred y la Universidad de Nuevo México. Juntos, descubrieron que muchos tipos de vidrio, incluidos aquellos que podrían desarrollarse para dispositivos ópticos de próxima generación, tienen estructuras y disposiciones atómicas similares y pueden fabricarse con éxito en el espacio.
El artículo del equipo se publica en la revista npj Microgravity. .
"La idea es tantear los mecanismos detrás de la fabricación espacial, que pueden conducir a materiales que no necesariamente están disponibles en la Tierra", dijo Jörg Neuefeind, quien se unió al ORNL en 2004 para construir un instrumento llamado NOMAD en la Fuente de Neutrones de Espalación del laboratorio. (Redes Sociales). NOMAD, el difractómetro de neutrones más rápido del mundo, ayuda a los científicos a medir la disposición de los átomos viendo cómo los neutrones rebotan en ellos. NOMAD es uno de los 20 instrumentos del SNS que ayudan a los científicos a responder grandes preguntas y estimular innumerables innovaciones, como medicamentos que tratan enfermedades de manera más efectiva, motores de aviones y cohetes más confiables, automóviles con mejor consumo de combustible y baterías que son más seguras, se cargan más rápido y duran más. .
Los operadores de JAXA en la Tierra fabricaron y fundieron vidrio a bordo de la Estación Espacial Internacional (ISS), mediante control remoto utilizando un levitador. Los levitadores se utilizan para suspender muestras de materiales durante experimentos para evitar interferencias por contacto con otros materiales.
Una vez que la siguiente misión a la ISS terminó meses después y el vidrio espacial fue traído a la Tierra, los investigadores utilizaron una combinación de técnicas que incluían neutrones, rayos X y potentes microscopios para medir y comparar el vidrio fabricado y derretido celestialmente versus terrestremente.
"Descubrimos que con técnicas sin contenedores, como el levitador, podemos crear vasos no convencionales en microgravedad", dijo Takehiko Ishikawa, de JAXA, pionero del levitador electrostático utilizado para fabricar perlas de vidrio a bordo de la ISS.
Los investigadores confiaron en NOMAD en SNS para estudiar las muestras de vidrio con neutrones y líneas de luz en la Fuente Avanzada de Fotones de Argonne para estudiar las muestras con rayos X. Tanto SNS como APS son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
"Hay una cantidad limitada de material que se puede volar al espacio y traer de regreso, y esa fue en realidad una de las razones por las que NOMAD era tan adecuado para este experimento", dijo Stephen Wilke de Materials Development Inc. y científico visitante en Argonne. . "Estábamos obteniendo solo perlas de vidrio de aproximadamente un octavo de pulgada de diámetro, que son muy difíciles de medir en términos de estructura atómica. Dado que NOMAD se destaca en la medición de muestras extremadamente pequeñas, nos permitió comparar fácilmente las perlas individuales que hicimos en el laboratorio con los fabricados en la estación espacial."
Resulta que el vidrio no es tan claro. A diferencia de los sólidos cristalinos, como la sal, los átomos de vidrio no tienen una estructura uniforme. Su inusual disposición atómica, aunque notablemente estable, quizás se describa mejor como una red aleatoria de moléculas que comparten átomos coordinados. Ni completamente sólido ni completamente líquido, el vidrio también se presenta en diferentes formas, incluidos polímeros, óxidos y metales, como lentes de anteojos, hilos de fibra óptica y hardware para misiones en el espacio profundo.
En 2022, Neuefeind, Wilke y Rick Weber, un experto en la industria del vidrio, experimentaron con dos óxidos de neodimio y titanio y descubrieron un potencial para aplicaciones ópticas. La combinación de estos dos elementos muestra fortalezas inusuales que no se han visto en campañas de investigación similares. Estos hallazgos los llevaron a continuar con sus estudios actuales con la NASA.
"[El experimento de 2022] nos enseñó algo realmente notable", dijo Weber, de Materials Development Inc. "Uno de los vasos tiene una red que es completamente diferente de una red normal de cuatro coordenadas típica de la sílice. Estos vasos tienen seis -Coordinate Network. Están realmente disponibles. Es emocionante desde la perspectiva de la ciencia del vidrio, pero desde un punto de vista práctico, también significa más oportunidades para hacer cosas nuevas con materiales ópticos y nuevos tipos de dispositivos".
Los científicos suelen utilizar neutrones y rayos X en paralelo para recopilar datos que otras técnicas no pueden producir, lo que nos permite comprender la disposición de los átomos de diferentes elementos dentro de una muestra. Los neutrones ayudaron al equipo a ver los elementos más ligeros en el cristal espacial, como el oxígeno, mientras que los rayos X les ayudaron a ver los elementos más pesados, como el neodimio y el titanio. Si existieran diferencias significativas entre el vidrio espacial y el vidrio terrestre, probablemente habrían aparecido en la subred de óxido, en la disposición de los átomos de oxígeno, en la distribución de los átomos pesados, o en ambas.
Los neutrones se convertirán en herramientas cada vez más importantes para descubrir los misterios de la materia a medida que los científicos exploren nuevas fronteras, a pesar del espacio.
"Debemos comprender no sólo los efectos del espacio sobre la materia sino también sus efectos sobre cómo se forman las cosas", dijo Neuefeind. "Debido a sus propiedades únicas, los neutrones son parte de la resolución de este tipo de acertijos."
