#中子打开窗户探索太空玻璃#由于人类的独创性和零重力，我们从太空科学中获得了重要利益。考虑一下内置导航系统和摄像头的智能手机。

来自政府、学术界和工业界九个机构的科学家团队发现，许多种类的玻璃具有相似的原子结构，可以在太空中成功制造。图像中显示了一颗太空玻璃珠。来源：Phoenix Pleasant/ORL，美国能源部

　　这些变革性技术似乎一夜之间融入了我们日常生活的节奏。但它们是多年来发现和开发出的能够承受大气层外恶劣环境的材料。它们是几十年来为基础科学奠定基础，以了解原子在不同条件下在不同材料中的行为而演变而来的。

　　在过去的基础上，一个全球研究团队为未来在太空而非太空中制造材料的实验设定了新的基准。该小组成员来自能源部橡树岭和阿贡国家实验室、股份有限公司材料开发公司、美国国家航空航天局、日本宇宙航空研究开发机构或JAXA、ISIS中子和μ源、阿尔弗雷德大学和新墨西哥大学。他们一起发现，许多种类的玻璃，包括可以开发用于下一代光学设备的玻璃，具有相似的原子结构和排列，可以在太空中成功制造。

　　该团队的论文发表在《npj微重力》杂志上。

　　Jörg Neuefeind于2004年加入ORNL，在实验室的散裂中子源(SNS)建造了一种名为NOMAD的仪器。NOMAD是世界上速度最快的中子衍射仪，它通过观察中子如何从原子上反弹来帮助科学家测量原子的排列。NOMAD是SNS的20个仪器之一，这些仪器帮助科学家回答重大问题，并推动无数创新，如更有效治疗疾病的药物、更可靠的飞机和火箭发动机、汽油里程更好的汽车，以及更安全、充电更快、使用寿命更长的电池。

　　JAXA在地球上的操作员使用悬浮器通过远程控制在国际空间站上制造和熔化玻璃。悬浮剂用于在实验期间悬浮材料样品，以避免与其他材料接触造成干扰。

　　几个月后，下一次国际空间站任务结束，太空玻璃被带到地球后，研究人员结合中子、X射线和强大的显微镜等技术，测量和比较了天天向上和地球上制造和熔化的玻璃。

　　JAXA的石川武彦(Takehiko Ishikawa)是国际空间站上用于制造玻璃珠的静电悬浮器的先驱，他说：“我们发现，使用悬浮器等无容器技术，我们可以在微重力条件下制造出非传统的玻璃。”。

　　研究人员依靠SNS的NOMAD研究带有中子的玻璃样品，并在阿贡的高级光子源研究带有X射线的样品。SNS和APS都是DOE科学办公室的用户设施。

　　材料开发股份有限公司的斯蒂芬·威尔克(Stephen Wilke)是阿贡的一名客座科学家，他说：“你能飞上太空并返回的材料只有这么多，这实际上是NOMAD非常适合这个实验的原因之一”。我们只带回了直径约八分之一英寸的单颗玻璃珠，从原子结构来看，这些玻璃珠很难测量。由于NOMAD擅长测量极小的样本，它使我们能够轻松地将实验室制造的单颗珠子与空间站制造的单粒珠子进行比较。

　　玻璃之谜

　　事实证明，玻璃切割不那么清晰。与盐等结晶固体不同，玻璃原子的结构并不均匀。它不同寻常的原子排列，尽管非常稳定，但最好描述为共享配位原子的分子的随机网络。玻璃既不是完全固体也不是完全液体，也有不同的形式，包括聚合物、氧化物和金属，如眼镜镜片、光纤线和深空任务硬件。

　　2022年，Neuefeind、Wilke和玻璃行业主题专家Rick Weber对钕和钛的两种氧化物进行了实验，发现了光学应用的潜力。这两个元素的结合表现出了在类似的研究活动中所没有的不同寻常的优势。这些发现促使他们继续与美国国家航空航天局进行目前的研究。

　　“(2022年的实验)教会了我们一些非常了不起的东西，”材料开发股份有限公司的韦伯说，“其中一种眼镜的网络与二氧化硅典型的普通四坐标网络完全不同。这些眼镜有一个六坐标网络。它们真的很实用。从玻璃科学的角度来看，这很令人兴奋。但作为一个实际问题，这也意味着有更多的机会用光学材料和新型设备做新的事情。”

　　科学家们经常并行使用中子和X射线来收集其他技术无法产生的数据，从而使我们能够了解样品中不同元素的原子排列。中子帮助团队看到太空玻璃中较轻的元素，如氧气，而X射线帮助他们看到较重的元素，例如钕和钛。如果太空玻璃和陆地玻璃之间存在显著差异，它们很可能会出现在氧化物亚晶格或氧原子的排列、重原子的分布中，或两者兼而有之。

　　随着科学家探索新的前沿领域，尽管有太空，中子将成为解开物质奥秘的越来越重要的工具。

　　Neuefeind说：“我们不仅必须了解空间对物质的影响，还必须了解它对事物形成方式的影响。”。“由于中子的独特性质，它们是解决这些难题的一部分。”

　　更多信息：Stephen K.Wilke等人，微重力对钛酸钕非平衡熔体加工的影响：热物理性质、原子结构、玻璃形成和结晶，npj微重力(2024)。