Badanie przeprowadzone przez grupę naukowców z Nagoya City University (NCU), Japan Space Forum (JSF), Advance Engineering Services (AES), Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) i ANSTO ujawniło gromadzenie się naładowanych cząstek w środowisku mikrograwitacji Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS), z implikacjami dla rozwoju materiałów fotonicznych, ulepszonych leków oraz szeregu nowych i innowacyjnych materiałów, które zależą od mieszania dwóch lub więcej naładowanych cząstek.

Badanie eksperymentalne, które zostało opublikowane w npj Mikrograwitacjai przeprowadzone na ISS, ustaliły, w jaki sposób naładowane cząstki koloidalne wielkości submikronowej oddziałują w obecności i przy braku ziemskiej grawitacji.

„Wiele zjawisk chemicznych i fizycznych w dużym stopniu opiera się na zrozumieniu, w jaki sposób dwie cząstki oddziałują ze sobą, zwłaszcza cząstki naładowane” – powiedział główny naukowiec i współautor ANSTO, dr Jitendra Mata.

„Najlepszym przykładem jest sytuacja, w której cząstki koloidalne tworzą skupiska czworościenne, zwane potocznie sieciami diamentowymi, które są niezbędne do produkcji materiałów fotonicznych. Kontrolowanie samoorganizacji cząstek koloidalnych umożliwia skonstruowanie nowego materiału, który może znaleźć zastosowanie w fotonice, optoelektronice, wykrywanie i diagnostyka kliniczna”.

Powszechnie wiadomo, że nawet najmniejsza sedymentacja grawitacyjna i konwekcja na Ziemi wpływają na interakcje cząstek i ich ułożenie w koloidzie. Utrudnia to ważną wiedzę na temat wpływu ładunku.

Wiedza ta może również pomóc w projektowaniu lepszych preparatów leków, które będą miały dłuższą żywotność i lepszą skuteczność.

W tym badaniu naukowcy wybrali lżejsze i ciężkie cząstki naładowane dodatnio i ujemnie. Cząsteczki polistyrenu są tak ciężkie, jak środowisko wodne, które je zawiera, a cząsteczki tytanu są mniej więcej trzy razy cięższe niż podłoże.

Próbki unieruchomiono w żelu po ich interakcji, aby można je było sprowadzić z powrotem na Ziemię w celu przeprowadzenia różnych eksperymentów.

Badania wykazały, że gromady utworzone przez lżejsze cząstki w kosmosie są o 50% większe niż gromady utworzone na Ziemi. Jest to przełomowe odkrycie, ponieważ nie spodziewano się go w przypadku lżejszych cząstek.

W przypadku ciężkich cząstek, takich jak tlenek tytanu, potwierdzono również oddziaływanie elektrostatyczne i tworzenie klastrów, co w ogóle nie jest możliwe na Ziemi.

To badanie wymagało również cudu inżynierii, jeśli chodzi o zaprojektowanie układu eksperymentalnego do mieszania próbek w przestrzeni i unieruchamiania tych próbek po zmieszaniu.

Po wybraniu projektu przez JAXA, zespół ściśle współpracował z wieloma organizacjami, aby stworzyć niestandardową konfigurację, która pozwoli na mieszanie i unieruchamianie klastrów w żelu za pomocą światła LED-UV.

W Japonii przygotowano dwa zestawy próbek; jeden został wysłany na ISS za pomocą rakiety Falcon (Space-X) i transportera Dragon SpX-19, a drugi został użyty w eksperymencie naziemnym. Załoga ISS zastosowała zalecaną procedurę do wymieszania próbek przed utwardzeniem ich światłem LED-UV. Po spędzeniu ponad roku w kosmosie próbki zostały zwrócone na Ziemię i wysłane do różnych instytutów w celu analizy.

Zestaw próbek trafił do ANSTO, gdzie znajdują się dwa najnowocześniejsze instrumenty oparte na reaktorach: Quokka — małe kątowe rozpraszanie neutronów (SANS) i Kookaburra — bardzo małe kątowe rozpraszanie neutronów (USANS).

„Quokka i Kookaburra to unikalne instrumenty, które dostarczyły niezrównanych informacji na temat struktury klastrów, które są bardzo trudne do zbadania innymi technikami. Dzięki zmienności kontrastu SANS i USANS możliwe było uzyskanie informacji na temat poszczególnych składników procesu grupowania” powiedział dr Mata.

Połączone dane z tych dwóch instrumentów dostarczyły ważnej wiedzy na temat morfologii strukturalnej i interakcji ładunek-ładunek cząstek koloidalnych od ~1 nm do 10 µm, bez narażania środowiska krystalicznego próbek. Badanie obejmuje również wiele innych technik, w tym modelowanie matematyczne i symulacje.