在微波中模拟宇宙尘埃

 
溶胶-凝胶微波干燥过程中的连续步骤：(1)制备好的凝胶，(2)-(6)连续1分钟的微波暴露(900 W)之后。所示图像为Mg0.9Fe0.1SiO3，干燥产物的浅棕色归因于Fe含量。图片来源：钻石光源宇宙尘埃是恒星，行星和生命本身化学演化的关键，但其成分尚不十分清楚，我们目前无法收集样品进行分析。有几个例子以陨石的行星际尘埃和彗星尘埃的形式到达地球，但是它们的复杂历史意味着它们可能不具有代表性。
因此，我们研究宇宙尘埃特性的主要方法是对类似物质的天文观测和实验室实验。宇宙尘埃大致分为烟灰状碳粒和较丰富的难熔硅酸盐晶粒，两者均从垂死的恒星中喷出。
观测结果告诉我们，红色巨星周围的尘埃中会同时形成非晶态和结晶态的硅酸盐，但星际介质(ISM)仅包含非晶态的硅酸盐。由史蒂芬·汤普森(Stephen Thompson)博士领导的钻石研究人员团队最近在《天文学与天体物理学》上发表的论文证明，微波干燥可用于廉价且容易地生产非晶态的Mg-Fe硅酸盐。然后，他们通过原位热退火研究了它们的结晶，并在对原行星盘中的尘埃颗粒进行建模的背景下考虑了结果。
尘埃是形成的第一个固体物质，研究宇宙尘埃是天体物理学中非常活跃的领域。我们无法在此精确地复制地球上宇宙尘埃的形成条件，而且实验室中没有一种产生模拟尘埃样品的单一方法可以模拟我们在恒星周围和星际介质中观察到的所有尘埃。但是，通过创建和表征这些样本，并将它们与天文数据进行比较，以了解它们的相似之处和不同之处，我们加深了对宇宙对应物的形成，组成和演化的了解
溶胶-凝胶法是用于从小分子生产固体材料的化学方法。溶胶凝胶的稠度类似于护手霜，必须干燥才能形成粉尘样品。风干大约需要24小时，对于希望生产多个样品的研究人员来说，这很耗时。
钻石光源处的广角和小角度X射线散射设备：A板：光束线I11三圆粉末衍射仪，显示了用于当前工作的90°电弧位置敏感检测器;面板B：所示的光束线I22小角度散射仪，其摄像机长度为9.7 m，用于本工作。信用：钻石光源生产模拟粉尘样品的另一个具有挑战性的方面是铁的掺入，在地球上倾向于形成太空中看不到的铁锈(氧化铁)。尽管我们在恒星和行星中看到铁的证据，但在星际介质中却看不到铁。这是“铁的缺失”问题，一种可能的解释是，纳米粒子中的铁太小而看不见。另一个是铁被“锁住”在硅酸盐矿物中，硅铁矿的含量太低(不足10%)而不会影响粉尘的光谱特性。
使用溶胶-凝胶将铁结合到硅酸盐结构中需要特殊的干燥条件，汤普森博士和他的团队以前已经开发了一种真空干燥工艺。但是，这从头到尾花了几天时间才能完成。
因此，研究人员研究了他们是否可以使用现成的微波炉来加快模拟样品的生产，并产生含铁的硅酸盐粉尘。
该研究小组使用和不使用铁对微波干燥的凝胶进行了研究，并使用X射线粉末衍射和在束线I11上的总X射线散射，在I22上的小角度X射线散射以及中红外FTIR光谱研究了它们的性能。他们将微波干燥的样品与同一凝胶生产的样品进行了比较，但使用常规的空气烤箱和真空炉进行了常规干燥。
安娜·赫里希(Anna Herlihy)在戴蒙德(Diamond)的“工业年”期间从事了许多实验工作。安娜(Anna)在圣安德鲁斯大学(St. Andrews University)攻读学位，并来到戴蒙德(Diamond)研究无定形纳米粒子的生产。她的工作引发了对宇宙尘埃的研究，并以她的经验为灵感，Anna完成了学位，现在正在攻读博士学位。在华威大学。
示意图显示了在微波干燥的硅酸盐的原位SXPD数据中出现晶相特征的温度。结果表明，这是一种生产模拟粉尘样品的极好，快速，简便且廉价的方法。研究小组希望它会被其他地方的实验室物理学家采用，但是它也可以在工业上得到应用，例如作为生产纳米结构材料的一种手段。
这项研究的下一个阶段是研究无定形样品在加热时会发生什么。观测表明，老恒星喷射出无定形的硅酸盐矿物。一旦进入星际介质，它们最终会在形成恒星的区域中聚集，并积聚在原行星盘，旋转的密集气体和尘埃盘周围的年轻恒星周围。盘中的尘埃颗粒变热，最终结晶为可识别的矿物。因此，原行星盘代表恒星诞生和行星形成之间的演化阶段。我们知道圆盘离恒星更近，因此了解这些矿物的结晶温度可以告诉我们它们在圆盘中的位置以及在那里存在的时间。
研究人员发现，即使在硅酸盐矿物中添加少量铁，也能显着提高其结晶温度。事实如此严重，以至于在整个磁盘中，任何含铁的硅酸盐都将保持非晶态，这与天文学家的观察结果一致，即大多数富含镁的矿物存在。钻石小组还发现了在无铁硅酸盐中形成的少量方石英石(一种高温SiO2矿物)。同样，在原行星盘中也观察到少量的SiO2，并且至关重要的是，在STARDUST样品返回任务回收的早期太阳系彗星材料中也发现了SiO2。作为彗星在太阳系中形成的第一个行星，长期以来人们一直认为彗星是我们太阳系形成后遗留下来的物质的储存库，这一过程本应在太阳的原行星盘中开始。
对于Diamond团队来说，这项研究仅仅是个开始。他们将继续探索他们的新微波方法，用它来生产具有不同成分的粉尘样品。每个样本都使我们更进一步地了解宇宙尘埃以及行星系统的形成方式。谁会想到厨房微波炉可以帮助解决这一问题?