Grâce à l’ingéniosité humaine et à l’apesanteur, nous récoltons d’importants bénéfices de la science spatiale. Pensez aux téléphones intelligents dotés de systèmes de navigation et d’appareils photo intégrés.
De telles technologies transformationnelles semblent s’intégrer du jour au lendemain au rythme de notre vie quotidienne. Mais ils sont nés d’années de découvertes et de développements de matériaux capables de résister à des environnements difficiles en dehors de notre atmosphère. Ils résultent de décennies de fondation en science fondamentale pour comprendre comment les atomes se comportent dans différents matériaux et dans différentes conditions.
S’appuyant sur ce passé, une équipe mondiale de chercheurs a établi une nouvelle référence pour les futures expériences de fabrication de matériaux dans l’espace plutôt que pour l’espace. L’équipe comprenait des membres des laboratoires nationaux d’Oak Ridge et d’Argonne du ministère de l’Énergie, de Materials Development, Inc., de la NASA, de l’Agence japonaise d’exploration aérospatiale ou JAXA, d’ISIS Neutron and Muon Source, de l’Université Alfred et de l’Université du Nouveau-Mexique. Ensemble, ils ont découvert que de nombreux types de verre, y compris ceux qui pourraient être développés pour les dispositifs optiques de nouvelle génération, ont une structure et des dispositions atomiques similaires et peuvent être fabriqués avec succès dans l’espace.
Le document de l’équipe est publié dans la revue npj Microgravité.
« L’idée est de tester les mécanismes derrière la fabrication spatiale, qui peuvent conduire à des matériaux qui ne sont pas nécessairement disponibles sur Terre », a déclaré Jörg Neuefeind, qui a rejoint l’ORNL en 2004 pour construire un instrument appelé NOMAD à la source de neutrons de spallation du laboratoire. (SNS). NOMAD, le diffractomètre à neutrons le plus rapide au monde, aide les scientifiques à mesurer la disposition des atomes en observant comment les neutrons rebondissent sur eux. NOMAD est l’un des 20 instruments du SNS qui aident les scientifiques à répondre à de grandes questions et à stimuler d’innombrables innovations, comme des médicaments qui traitent plus efficacement les maladies, des moteurs d’avions et de fusées plus fiables, des voitures avec une meilleure consommation d’essence et des batteries plus sûres, qui se chargent plus rapidement et durent plus longtemps. .
Les opérateurs de la JAXA sur Terre ont fabriqué et fondu du verre à bord de la Station spatiale internationale (ISS), via une télécommande à l’aide d’un lévitateur. Les lévitateurs sont utilisés pour suspendre des échantillons de matériaux pendant les expériences afin d’éviter les interférences dues au contact avec d’autres matériaux.
Une fois la mission suivante de l’ISS terminée des mois plus tard et le verre spatial ramené sur Terre, les chercheurs ont utilisé une combinaison de techniques comprenant des neutrons, des rayons X et des microscopes puissants pour mesurer et comparer le verre fabriqué et fondu de manière céleste par rapport à celui de la Terre.
« Nous avons découvert qu’avec des techniques sans conteneur, telles que le lévitateur, nous pouvons créer des verres non conventionnels en microgravité », a déclaré Takehiko Ishikawa de la JAXA, pionnier du lévitateur électrostatique utilisé pour fabriquer les perles de verre à bord de l’ISS.
Les chercheurs se sont appuyés sur NOMAD au SNS pour étudier les échantillons de verre avec des neutrons et sur les lignes de lumière de la source de photons avancée d’Argonne pour étudier les échantillons avec des rayons X. SNS et APS sont tous deux des installations utilisateur du DOE Office of Science.
« Il n’y a qu’une quantité limitée de matériaux que vous pouvez voler dans l’espace et en revenir, et c’est en fait l’une des raisons pour lesquelles NOMAD était si bien adapté à cette expérience », a déclaré Stephen Wilke de Materials Development Inc. et un scientifique invité à Argonne. . « Nous ne récupérions que des billes de verre uniques d’environ un huitième de pouce de diamètre, qui sont très difficiles à mesurer en termes de structure atomique. Puisque NOMAD excelle dans la mesure d’échantillons extrêmement petits, cela nous a permis de comparer facilement les billes uniques que nous avons fabriquées dans le laboratoire avec ceux réalisés sur la station spatiale.
Mystères du verre
Il s’avère que le verre n’est pas aussi net. Contrairement aux solides cristallins comme le sel, les atomes de verre n’ont pas une structure uniforme. Son arrangement atomique inhabituel, bien que remarquablement stable, est peut-être mieux décrit comme un réseau aléatoire de molécules partageant des atomes coordonnés. Ni entièrement solide ni entièrement liquide, le verre se présente également sous différentes formes, notamment polymère, oxyde et métallique, comme pour les verres de lunettes, les fils de fibres optiques et le matériel pour les missions dans l’espace lointain.
En 2022, Neuefeind, Wilke et Rick Weber, un expert de l’industrie du verre, ont expérimenté deux oxydes de néodyme et de titane et découvert un potentiel pour des applications optiques. La combinaison de ces deux éléments présente des atouts inhabituels que l’on ne retrouve pas dans des campagnes de recherche similaires. Ces découvertes les ont amenés à poursuivre leurs études actuelles avec la NASA.
« [The experiment in 2022] nous a appris quelque chose de vraiment remarquable », a déclaré Weber, de Materials Development Inc. « L’un des verres possède un réseau complètement différent d’un réseau normal à quatre coordonnées typique de la silice. Ces lunettes ont un réseau à six coordonnées. Ils sont vraiment là-bas. C’est passionnant du point de vue de la science du verre. Mais d’un point de vue pratique, cela signifie également davantage de possibilités de réaliser de nouvelles choses avec des matériaux optiques et de nouveaux types de dispositifs. »
Les scientifiques utilisent souvent des neutrons et des rayons X en parallèle pour collecter des données qu’aucune autre technique ne peut produire, ce qui nous permet de comprendre la disposition des atomes de différents éléments au sein d’un échantillon. Les neutrons ont aidé l’équipe à voir les éléments plus légers dans le verre spatial, comme l’oxygène, tandis que les rayons X les ont aidés à voir les éléments plus lourds, comme le néodyme et le titane. Si des différences significatives existaient entre le verre spatial et le verre terrestre, elles se seraient probablement manifestées dans le sous-réseau d’oxyde, ou dans la disposition des atomes d’oxygène, dans la répartition des atomes lourds, ou dans les deux.
Les neutrons deviendront des outils de plus en plus importants pour percer les mystères de la matière à mesure que les scientifiques explorent de nouvelles frontières, malgré l’espace.
« Nous devons comprendre non seulement les effets de l’espace sur la matière, mais également ses effets sur la façon dont les choses se forment », a déclaré Neuefeind. « En raison de leurs propriétés uniques, les neutrons contribuent à résoudre ce genre d’énigmes. »
Plus d’information:
Stephen K. Wilke et al, Effets de la microgravité sur le traitement par fusion hors équilibre du titanate de néodyme : propriétés thermophysiques, structure atomique, formation de verre et cristallisation, npj Microgravité (2024). DOI : 10.1038/s41526-024-00371-x