Kosmiskt stoft är nyckeln till den kemiska utvecklingen av stjärnor, planeter, och livet självt, men dess sammansättning är inte väl förstådd, och vi kan för närvarande inte samla in prover för analys. Några exempel har kommit till jorden som interplanetära dammpartiklar och kometdamm, i meteoriter, men deras komplicerade historia betyder att de kanske inte är representativa.

Våra primära metoder för att undersöka egenskaperna hos kosmiskt stoft, därför, är astronomiska observationer och laboratorieexperiment på analoga material. Kosmiskt stoft delar sig i stort sett i sotliknande kolkorn och de mer rikliga eldfasta silikatkornen, som båda kastas ut från döende stjärnor.

Observationer säger oss att både amorfa och kristallina silikater bildas i dammet runt röda jättestjärnor i varierande proportioner, men att det interstellära mediet (ISM) endast innehåller amorfa silikater. I arbete nyligen publicerat i Astronomi &Astrofysik , ett team av diamantforskare ledda av Dr Stephen Thompson visade att mikrovågstorkning kan användas för att billigt och enkelt producera amorfa Mg-Fe-silikater. De undersökte sedan deras kristallisation genom in situ termisk glödgning och övervägde resultaten i samband med modellering av dammkorn i protoplanetära skivor.

Damm är det första fasta materialet som bildas, och att undersöka kosmiskt stoft är ett mycket aktivt område inom astrofysik. Vi kan inte replikera bildningsförhållandena för kosmiskt stoft här på jorden exakt, och ingen enskild metod för att producera analoga stoftprover i laboratoriet kan simulera allt damm vi observerar runt stjärnor och i det interstellära mediet. Dock, genom att skapa och karakterisera dessa exempel, och jämföra dem med astronomiska data för att se var de liknar varandra, och där de skiljer sig åt, vi ökar vår förståelse för formationen, deras kosmiska motsvarigheters sammansättning och utveckling

Sol-gel-processen är en kemisk metod som används för att framställa fasta material från små molekyler. Sol-geler har en konsistens som liknar handkräm och måste torkas för att bilda dammproverna. Lufttorkning tar cirka 24 timmar och är tidskrävande för forskare som vill ta fram flera prover.

En annan utmanande aspekt av att producera analoga dammprover är införandet av järn, som – på jorden – tenderar att bilda rost (järnoxider) som inte syns i rymden. Även om vi ser bevis på järn i stjärnor och planeter, vi ser det inte i det interstellära mediet. Detta är problemet med det "saknade järnet", och en möjlig förklaring är att järnet är närvarande i nanopartiklar för små för att se. En annan är att järn är "inlåst" i silikatmineraler, i mängder för låga (mindre än 10%) för att påverka dammets spektrala egenskaper.

Att använda sol-gel för att införliva järn i silikatstrukturen kräver speciella torkningsförhållanden och Dr. Thompson och hans team hade tidigare utvecklat en vakuumtorkningsprocess. Detta tog dock flera dagar att slutföra från början till slut.

Forskarna, därför, undersökte om de kunde påskynda produktionen av analoga prover, och producerar järnhaltigt silikatdamm, använda en färdig mikrovågsugn.

Forskargruppen mikrovågstorkade geler med och utan järn, och undersökte deras egenskaper med röntgenpulverdiffraktion och total röntgenspridning på strållinjen I11, liten vinkel röntgenspridning på I22, och mid-IR FTIR-spektroskopi. De jämförde de mikrovågstorkade proverna med prover framställda från samma gel, men torkat på konventionellt sätt, med konventionell luftugn och vakuumugn.

Mycket av det experimentella arbetet utfördes av Anna Herlihy under hennes år i industriplacering på Diamond. Anna var mitt uppe i en examen vid St. Andrews University och kom till Diamond för att undersöka produktionen av amorfa nanopartiklar. Den kosmiska stoftforskningen uppstod från hennes arbete, och – inspirerad av sin erfarenhet – har Anna avslutat sin examen och studerar nu till doktorsexamen. vid Warwick University.

Resultaten visar att detta är en utmärkt, snabbt, enkel och billig metod för att producera analoga dammprover. Teamet hoppas att det kommer att antas av laboratoriefysiker någon annanstans, men det kan också ha industriella tillämpningar, t.ex. som ett sätt att producera nanostrukturerade material.

Nästa steg i denna forskning var att undersöka vad som händer med de amorfa proverna när de värms upp. Observationer visar att gamla stjärnor stöter ut amorfa silikatmineraler. Väl i det interstellära mediet, dessa hamnar så småningom i stjärnbildande områden och ackumuleras i protoplanetära skivor, roterande skivor av tät gas och damm runt unga stjärnor. I skivan värms dammkornen upp, och så småningom kristalliseras till igenkännliga mineraler. Protoplanetära skivor representerar således evolutionsstadiet mellan stjärnfödelse och planetbildning. Vi vet att skivan är varmare närmare stjärnan, och så att förstå temperaturen vid vilken dessa mineraler kristalliserar kan berätta för oss var de skulle vara i skivan, och hur länge de var där.

Forskarna fann att tillsats av till och med en liten mängd järn till silikatmineralerna dramatiskt ökade temperaturen vid vilken de kristalliserades. Så mycket, faktiskt, att alla järnhaltiga silikater genom större delen av skivan skulle förbli amorfa, matchar observationerna från astronomer att det mestadels finns magnesiumrika mineraler. Diamond-teamet hittade också små mängder kristallit (en högtemperatur SiO ₂ mineral) som bildas i de järnfria silikaterna. Likaså små mängder SiO ₂ observeras också i protoplanetära skivor och, avgörande, återfanns också i kometmaterial från det tidiga solsystemet som återvunnits av STARDUST-provets returuppdrag. Att vara de första planetesimala objekten som har bildats i solsystemet, kometer har länge betraktats som förråd av material som blivit över från vårt eget solsystems bildning, en process som skulle ha börjat i solens protoplanetariska skiva.

För Diamond-teamet, denna forskning är bara början. De kommer att fortsätta utforska sin nya mikrovågsmetod, använda den för att producera dammprover med olika sammansättning. Varje prov tar oss ett steg närmare att förstå mer om kosmiskt stoft och hur planetsystem bildas. Vem kunde ha gissat att en köksmikrovågsugn kunde hjälpa till med det?