Tack vare mänsklig uppfinningsrikedom och noll gravitation skördar vi viktiga fördelar av vetenskap i rymden. Överväg smarta telefoner med inbyggda navigationssystem och kameror.
Sådan transformationsteknik verkar smälta in i rytmen i våra vardagsliv över en natt. Men de uppstod från år av upptäckter och utvecklingar av material som tål tuffa miljöer utanför vår atmosfär. De har utvecklats från årtionden av att lägga grunder inom grundläggande vetenskap för att förstå hur atomer beter sig i olika material under olika förhållanden.
Med utgångspunkt i detta förflutna har ett globalt team av forskare satt ett nytt riktmärke för framtida experiment som gör material i rymden snarare än för rymden. Teamet inkluderade medlemmar från Department of Energy's Oak Ridge och Argonne nationella laboratorier, Materials Development, Inc., NASA, Japan Aerospace Exploration Agency eller JAXA, ISIS Neutron and Muon Source, Alfred University och University of New Mexico. Tillsammans upptäckte de att många typer av glas, inklusive sådana som skulle kunna utvecklas för nästa generations optiska enheter, har liknande atomstruktur och arrangemang och kan framgångsrikt tillverkas i rymden.
Teamets artikel publiceras i tidskriften npj Microgravity .
"Tanken är att känna av mekanismerna bakom rymdbaserad tillverkning, vilket kan leda till material som inte nödvändigtvis är tillgängliga på jorden", säger Jörg Neuefeind, som gick med i ORNL 2004 för att bygga ett instrument som heter NOMAD vid labbets Spallation Neutron Source (SNS). NOMAD, den snabbaste neutrondiffraktometern i världen, hjälper forskare att mäta arrangemanget av atomer genom att se hur neutroner studsar av dem. NOMAD är ett av 20 instrument på SNS som hjälper forskare att svara på stora frågor och sporra otaliga innovationer, som läkemedel som mer effektivt behandlar sjukdomar, mer tillförlitliga flygplans- och raketmotorer, bilar med bättre bensindrift och batterier som är säkrare, laddar snabbare och håller längre .
JAXA-operatörer på jorden tillverkade och smälte glas ombord på den internationella rymdstationen (ISS), via fjärrkontroll med hjälp av en levitator. Levitatorer används för att suspendera materialprover under experiment för att undvika interferens från kontakt med andra material.
När nästa ISS-uppdrag avslutades månader senare och rymdglaset togs till jorden, använde forskare en kombination av tekniker som inkluderade neutroner, röntgenstrålar och kraftfulla mikroskop för att mäta och jämföra glas tillverkat och smält himmelskt mot jordiskt.
"Vi fann att vi med behållarelösa tekniker, såsom levitatorn, kan skapa okonventionella glasögon i mikrogravitation", säger JAXA:s Takehiko Ishikawa, pionjär inom den elektrostatiska levitatorn som används för att tillverka glaspärlorna ombord på ISS.
Forskarna förlitade sig på NOMAD vid SNS för att studera glasproverna med neutroner och strållinjer vid Argonnes Advanced Photon Source för att studera proverna med röntgenstrålar. Både SNS och APS är DOE Office of Science användarfaciliteter.
"Det finns bara så mycket material att du kan flyga upp till rymden och få tillbaka, och det var faktiskt en av anledningarna till att NOMAD var så väl lämpad för det här experimentet", säger Stephen Wilke från Materials Development Inc., och en gästforskare vid Argonne . "Vi fick tillbaka bara enstaka glaspärlor på ungefär en åttondels tum i diameter, som är mycket svåra att mäta i termer av atomstruktur. Eftersom NOMAD utmärker sig på att mäta extremt små prover, gjorde det att vi enkelt kunde jämföra enskilda pärlor som vi gjorde i labb med de som gjorts på rymdstationen."
Glas, visar det sig, är inte så tydligt. Till skillnad från kristallina fasta ämnen, såsom salt, har glasatomer inte en enhetlig struktur. Dess ovanliga atomarrangemang, även om det är anmärkningsvärt stabilt, beskrivs kanske bäst som ett slumpmässigt nätverk av molekyler som delar koordinerade atomer. Varken helt fast eller helt flytande, glas finns också i olika former, inklusive polymer, oxid och metall, som för glasögonlinser, fiberoptiska trådar och hårdvara för djupa rymduppdrag.
2022 experimenterade Neuefeind, Wilke och Rick Weber, en branschexpert på glas, med två oxider av neodym och titan och upptäckte en potential för optiska tillämpningar. Kombinationen av dessa två element uppvisar ovanliga styrkor som inte setts i liknande forskningskampanjer. Dessa fynd fick dem att fortsätta sina nuvarande studier med NASA.
"[Experimentet 2022] lärde oss något riktigt anmärkningsvärt", säger Weber, från Materials Development Inc. "Ett av glasen har ett nätverk som är helt annorlunda än ett normalt nätverk med fyra koordinater som är typiskt för kiseldioxid. Dessa glasögon har en sexa -samordna nätverk De är verkligen där ute. Det är spännande ur ett glasvetenskapligt perspektiv, men som en praktisk fråga innebär det också fler möjligheter att göra nya saker med optiska material och nya typer av enheter.
Forskare använder ofta neutroner och röntgenstrålar parallellt för att samla in data som ingen annan teknik kan producera, vilket gör att vi kan förstå arrangemanget av atomer av olika element i ett prov. Neutroner hjälpte teamet att se de lättare elementen i rymdglaset, som syre, medan röntgenstrålar hjälpte dem att se de tyngre elementen, som neodym och titan. Om det funnits betydande skillnader mellan rymdglaset och markglaset, skulle de sannolikt ha visat sig i oxidundergittret, eller arrangemanget av syreatomerna, i fördelningen av de tunga atomerna, eller bådadera.
Neutroner kommer att bli allt viktigare verktyg för att låsa upp materiens mysterier när forskare utforskar nya gränser, trots rymden.
"Vi måste förstå inte bara effekterna av rymden på materia utan också dess effekter på hur saker bildas," sa Neuefeind. "På grund av deras unika egenskaper är neutroner en del av att lösa den här typen av pussel."
