Uma equipe de cientistas de nove instituições governamentais, acadêmicas e industriais descobriu que muitos tipos de vidro têm estrutura atômica semelhante e podem ser produzidos com sucesso no espaço. Uma conta de vidro espacial é mostrada na imagem. Crédito: Phoenix Pleasant/ORNL, Departamento de Energia dos EUA
Os pesquisadores desenvolveram técnicas para fabricar diferentes tipos de vidro no espaço, descobrindo potencial para avanços na tecnologia óptica.
Graças à engenhosidade humana e à gravidade zero, colhemos benefícios importantes da ciência no espaço. Considere smartphones com sistemas de navegação e câmeras integrados.
Essas tecnologias transformacionais parecem misturar-se ao ritmo da nossa vida quotidiana da noite para o dia. Mas surgiram de anos de descobertas e desenvolvimentos de materiais que podem resistir a ambientes agressivos fora da nossa atmosfera. Eles evoluem a partir de décadas de lançamento de bases na ciência básica para compreender como os átomos se comportam em diferentes materiais sob diferentes condições.
Avanços na Ciência dos Materiais
Com base neste passado, uma equipa global de investigadores estabeleceu uma nova referência para futuras experiências na produção de materiais em espaço em vez de para espaço. A equipe incluiu membros dos laboratórios nacionais Oak Ridge e Argonne do Departamento de Energia, Materials Development, Inc., NASAa Agência de Exploração Aeroespacial do Japão, ou JAXA, Fonte de nêutrons e múons ISIS, Alfred University e University of New Mexico. Juntos, eles descobriram que muitos tipos de vidro, incluindo aqueles que poderiam ser desenvolvidos para dispositivos ópticos de próxima geração, têm estruturas e arranjos atômicos semelhantes e podem ser fabricados com sucesso no espaço.
“A ideia é sentir os mecanismos por trás da fabricação baseada no espaço, que podem levar a materiais que não estão necessariamente disponíveis na Terra”, disse Jörg Neuefeind, que se juntou ao ORNL em 2004 para construir um instrumento chamado NOMAD na Spallation Neutron Source do laboratório. ou SNS. NOMAD, o difratômetro de nêutrons mais rápido do mundo, ajuda os cientistas a medir o arranjo dos átomos observando como os nêutrons ricocheteiam neles. O NOMAD é um dos 20 instrumentos do SNS que ajudam os cientistas a responder a grandes questões e a estimular inúmeras inovações, como medicamentos que tratam doenças de forma mais eficaz, motores de aeronaves e foguetes mais confiáveis, carros com melhor consumo de combustível e baterias que são mais seguras, carregam mais rápido e dura mais.
Avanços na fabricação espacial
Os operadores da JAXA na Terra fabricaram e derreteram vidro a bordo da Estação Espacial Internacional (ISS), por meio de controle remoto usando um levitador. Levitadores são usados para suspender amostras de materiais durante experimentos para evitar interferência do contato com outros materiais.
Assim que a próxima missão da ISS terminou, meses depois, e o vidro espacial foi trazido para a Terra, os pesquisadores usaram uma combinação de técnicas que incluíam nêutrons, raios X e microscópios poderosos para medir e comparar o vidro feito e derretido celestialmente com o terrestre.
“Descobrimos que com técnicas sem recipientes, como o levitador, podemos criar vidros não convencionais em microgravidade”, disse Takehiko Ishikawa da JAXA, pioneiro do levitador eletrostático usado para fazer as contas de vidro a bordo da ISS.
Os pesquisadores confiaram no NOMAD do SNS para estudar as amostras de vidro com nêutrons e linhas de luz na Advanced Photon Source de Argonne para estudar as amostras com raios-X. Tanto o SNS quanto o APS são instalações de usuários do DOE Office of Science.
“Há um limite de material que você pode voar para o espaço e voltar, e essa foi na verdade uma das razões pelas quais o NOMAD foi tão adequado para este experimento”, disse Stephen Wilke, da Materials Development Inc., e cientista visitante em Argonne. . “Estávamos recebendo apenas esferas de vidro com cerca de um oitavo de polegada de diâmetro, que são muito difíceis de medir em termos de estrutura atômica. Como o NOMAD é excelente na medição de amostras extremamente pequenas, permitiu-nos comparar facilmente contas individuais que fizemos no laboratório com aquelas feitas na estação espacial.”
Desvendando os mistérios do vidro
Acontece que o vidro não é tão claro. Ao contrário dos sólidos cristalinos, como o sal, os átomos de vidro não possuem uma estrutura uniforme. Seu arranjo atômico incomum, embora notavelmente estável, talvez seja melhor descrito como uma rede aleatória de moléculas que compartilham átomos coordenados. Nem totalmente sólido nem totalmente líquido, o vidro também vem em diferentes formas, incluindo polímero, óxido e metálico, como para lentes de óculos, fios de fibra óptica e hardware para missões no espaço profundo.
Em 2022, Neuefeind, Wilke e Rick Weber, um assunto da indústria especialista em vidroexperimentou dois óxidos de neodímio e titânio e descoberto um potencial para aplicações ópticas. A combinação destes dois elementos apresenta forças incomuns não vistas em campanhas de investigação semelhantes. Essas descobertas os levaram a prosseguir seus estudos atuais com a NASA.
“(O experimento em 2022) nos ensinou algo realmente notável”, disse Weber, da Materials Development Inc. “Um dos vidros tem uma rede completamente diferente de uma rede normal de quatro coordenadas típica da sílica. Esses óculos possuem uma rede de seis coordenadas. Eles estão realmente lá fora. É emocionante do ponto de vista da ciência do vidro. Mas, do ponto de vista prático, também significa mais oportunidades para fazer coisas novas com materiais ópticos e novos tipos de dispositivos.”
Os cientistas utilizam frequentemente neutrões e raios X em paralelo para recolher dados que nenhuma outra técnica consegue produzir, permitindo-nos compreender a disposição dos átomos de diferentes elementos numa amostra. Os nêutrons ajudaram a equipe a ver os elementos mais leves no vidro espacial, como o oxigênio, enquanto os raios X ajudaram a equipe a ver os elementos mais pesados, como o neodímio e o titânio. Se existissem diferenças significativas entre o vidro espacial e o vidro terrestre, elas provavelmente teriam aparecido na sub-rede de óxido, ou no arranjo dos átomos de oxigênio, na distribuição dos átomos pesados, ou em ambos.
Conclusão
Os nêutrons se tornarão ferramentas cada vez mais importantes para desvendar os mistérios da matéria à medida que os cientistas exploram novas fronteiras, apesar do espaço.
“Devemos compreender não apenas os efeitos do espaço na matéria, mas também os seus efeitos na forma como as coisas se formam”, disse Neuefeind. “Devido às suas propriedades únicas, os nêutrons fazem parte da solução desse tipo de quebra-cabeça.”
Referência: “Efeitos da microgravidade no processamento de fusão fora do equilíbrio do titanato de neodímio: propriedades termofísicas, estrutura atômica, formação de vidro e cristalização” por Stephen K. Wilke, Abdulrahman Al-Rubkhi, Chihiro Koyama, Takehiko Ishikawa, Hirohisa Oda, Brian Topper, Elizabeth M. Tsekrekas, Doris Möncke, Oliver LG Alderman, Vrishank Menon, Jared Rafferty, Emma Clark, Alan L. Kastengren, Chris J. Benmore, Jan Ilavsky, Jörg Neuefeind, Shinji Kohara, Michael SanSoucie, Brandon Phillips e Richard Weber, 6 de março de 2024, Microgravidade npj.
DOI: 10.1038/s41526-024-00371-x
