Comment des chercheurs créent des matériaux impossibles sur Terre

Grâce à l’ingéniosité humaine et à l’apesanteur, nous bénéficions de nombreux avantages issus de la science spatiale. Par exemple, les smartphones avec systèmes de navigation intégrés et caméras.

Ces technologies, qui semblent s’intégrer du jour au lendemain dans notre quotidien, résultent de nombreuses années de découvertes et de développements de matériaux capables de résister aux environnements hostiles de l’espace. Elles sont le fruit de décennies de recherches fondamentales visant à comprendre le comportement des atomes dans différents matériaux et sous diverses conditions.

Un nouveau jalon pour les expériences futures

Sur cette base, une équipe mondiale de chercheurs a établi une nouvelle référence pour les expériences futures en fabriquant des matériaux dans l’espace plutôt que pour l’espace. L’équipe comprenait des membres des laboratoires nationaux Oak Ridge et Argonne du Département de l’Énergie, de Materials Development, Inc., de la NASA, de l’Agence d’exploration aérospatiale japonaise (JAXA), de l’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, comme ceux pouvant être développés pour des dispositifs optiques de nouvelle génération, possèdent une structure atomique similaire et peuvent être fabriqués avec succès dans l’espace.

Fabrication de verre en apesanteur

Les opérateurs de la JAXA sur Terre ont fabriqué et fondu du verre à bord de la Station spatiale internationale (ISS) via une commande à distance utilisant un dispositif de lévitation (levitator en anglais). Ces derniers sont utilisés pour suspendre des échantillons de matériaux lors des expériences afin d’éviter toute interférence due au contact avec d’autres matériaux.

Une fois la mission de l’ISS terminée et le verre spatial ramené sur Terre, les chercheurs ont utilisé une combinaison de techniques incluant des neutrons, des rayons X et des microscopes puissants pour mesurer et comparer le verre fabriqué et fondu dans l’espace par rapport à celui fabriqué sur Terre.

Techniques sans conteneur

« Nous avons découvert qu’avec des techniques sans conteneur, telles que la machine à lévitation, nous pouvons créer des verres non conventionnels en microgravité », a indiqué Takehiko Ishikawa de la JAXA, pionnier du levitator électrostatique utilisé pour fabriquer les perles de verre à bord de l’ISS.

Les chercheurs ont utilisé NOMAD au SNS pour étudier les échantillons de verre avec des neutrons et les lignes de faisceau de l’Advanced Photon Source d’Argonne pour les étudier avec des rayons X.

« Il y a une quantité limitée de matériaux que l’on peut envoyer dans l’espace et ramener, et c’était en fait l’une des raisons pour lesquelles NOMAD était si bien adapté à cette expérience », a ajouté Stephen Wilke de Materials Development Inc., et scientifique invité à Argonne.

« Nous récupérions seulement des perles de verre d’environ un huitième de pouce de diamètre, très difficiles à mesurer en termes de structure atomique. Comme NOMAD excelle dans la mesure d’échantillons extrêmement petits, cela nous a permis de comparer facilement les perles fabriquées en laboratoire avec celles fabriquées sur la station spatiale. »

Les mystères du verre

Le verre, en réalité, n’est pas si simple. Contrairement aux solides cristallins, tels que le sel, les atomes de verre n’ont pas de 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, y compris polymère, oxyde et métallique, comme pour les lentilles de lunettes, les fils de fibre optique et le matériel pour les missions spatiales lointaines.

En 2022, Neuefeind, Wilke et Rick Weber, expert en verre de Materials Development Inc., ont expérimenté avec deux oxydes de néodyme et de titane et ont découvert un potentiel pour des applications optiques. La combinaison de ces deux éléments présente des forces inhabituelles non observées dans des recherches similaires. Ces découvertes les ont conduits à poursuivre leurs études actuelles avec la NASA.

« [L’expérience de 2022] nous a appris quelque chose de vraiment remarquable », a déclaré Weber. « L’un des verres a un réseau complètement différent d’un réseau normal à quatre coordonnées typique de la silice. Ces verres ont un réseau à six coordonnées. Ils sont vraiment uniques. C’est excitant du point de vue de la science du verre. Mais d’un point de vue pratique, cela signifie également plus d’opportunités pour de nouvelles applications avec des matériaux optiques et de nouveaux types de dispositifs. »

Importance des neutrons et des rayons X

Les scientifiques utilisent souvent des neutrons et des rayons X en parallèle pour collecter des données qu’aucune autre technique ne peut produire, permettant de comprendre l’arrangement 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 leur ont permis de voir les éléments plus lourds, tels que le néodyme et le titane.

Si des différences significatives existaient entre le verre spatial et le verre terrestre, elles seraient probablement apparues dans le sous-réseau d’oxydes, ou l’arrangement des atomes d’oxygène, dans la distribution des atomes lourds, ou les deux.

Les neutrons deviendront des outils de plus en plus importants pour percer les mystères de la matière à mesure que les scientifiques exploreront de nouvelles frontières, y compris l’espace.

« Nous devons comprendre non seulement les effets de l’espace sur la matière, mais aussi ses effets sur la formation des choses », a conclu Neuefeind. « En raison de leurs propriétés uniques, les neutrons font partie de la solution à ces énigmes. »

Légende illustration : Une équipe de scientifiques issus de neuf institutions gouvernementales, universitaires et industrielles a découvert que de nombreux types de verre ont une structure atomique similaire et peuvent être fabriqués avec succès dans l’espace. L’image montre une perle de verre spatial. Credit: Phoenix Pleasant/ORNL, U.S. Dept. of Energy