Ученые создают и плавят необычное стекло невесомости удаленно в космосе

Международная группа исследователей обнаружила, что материалы следующего поколения для оптических устройств можно производить в условиях микрогравитации.

Исследования команды показывают, что различные типы стекла, в том числе используемые в оптических устройствах, могут быть изготовлены в космосе с атомными структурами, аналогичными тем, которые производятся на Земле.

В исследовании приняли участие исследователи из Ок-Риджской и Аргоннской национальных лабораторий Министерства энергетики, Корпорации разработки материалов, НАСА, Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA), Источника нейтронов и мюонов ISIS, Университета Альфреда и Университета Нью-Мексико.

«Идея состоит в том, чтобы открыть механизмы космического производства, которые могут привести к созданию материалов, которые не обязательно доступны на Земле», — сказал Йорг Нойфельд из ORNL.

Эти новые материалы могут привести к развитию оптических устройств, улучшая все, от средств связи до медицинского оборудования.

Эксперимент на базе Международной космической станции

Стекло, в отличие от кристаллических твердых тел, имеет случайную атомную структуру. Эта необычная структура обеспечивает исключительную стабильность и адаптируемость, как это видно в обычных объектах, таких как очки и оптические волокна.

В эксперименте, проведенном на борту Международной космической станции (МКС), операторы JAXA использовали электростатический кран для создания и плавления стекла бесконтактным способом, предотвращая загрязнение другими материалами.

Вернувшись на Землю, эти образцы стекла были исследованы с помощью нейтронов, рентгеновских лучей и мощных микроскопов.

«Мы обнаружили, что, используя безконтейнерные методы, такие как кран, мы можем изготавливать нетрадиционные очки в условиях микрогравитации», — сказал Такехико Исикава из Японского агентства аэрокосмических исследований, эксперт в этой области.

Исследование атомной структуры с помощью нейтронов

В своем исследовании стекла, изготовленного в космосе, в сравнении со стеклом, изготовленным на Земле, исследовательская группа использовала дифракцию нейтронов и рентгеновских лучей для оценки атомного состава образцов стекла.

Ньюенд и его команда разработали NOMAD, который называют «самым быстрым в мире нейтронным дифрактометром».

По словам исследователей, NOMAD может точно измерять очень маленькие образцы с помощью нейтронов, что позволяет им сравнивать стеклянные шарики, изготовленные в лаборатории, со стеклянными шариками, изготовленными на космической станции.

«Мы получили только одиночные стеклянные бусины диаметром около восьми дюймов, атомную структуру которых трудно измерить». Стивен Уилк из Materials Development Corporation — приглашенный ученый в Аргонне.

Нейтроны оказались полезными для идентификации более легких элементов, таких как кислород. С другой стороны, рентгеновские лучи помогли выявить распределение тяжелых элементов, таких как неодим и титан, внутри стекла.

Команда предполагает, что если между образцами стекла, сделанными с Земли, и образцами, сделанными в космосе, есть существенные различия, они, скорее всего, появятся в оксидной подрешетке (расположении атомов кислорода), распределении тяжелых атомов или в том и другом.

Предыдущий опыт послужил основой

До этого исследования Нойфельд, Уилке и Рик Вебер провели несколько экспериментов, сосредоточив внимание на двух конкретных оксидах: оксиде неодима и оксиде титана.

Эти эксперименты показали, что когда эти два оксида объединяются, они образуют стекло с уникальными свойствами и потенциальным применением в оптике. Это побудило их изучить образцы стекла, сделанные на борту Международной космической станции.

«[The experiment in 2022] «Она научила нас чему-то действительно классному», — сказал Вебер из Materials Development Inc. «Одно из стекол имеет совершенно другую решетку, чем обычная четырехкоординатная решетка, типичная для кварца. Эти стекла имеют шестикоординатную решетку. Это действительно интересно с точки зрения науки о стекле. означает больше возможностей делать новые вещи, используя оптические материалы и новые типы устройств. пресс-релиз.