La fusión del oro con los láseres podría ser la clave para sobrevivir a la superficie de Venus

El oro tiene muchas aplicaciones industriales muy interesantes. La NASA lo usa para proteger a los astronautas de la radiación cósmica alineando los visores de sus cascos espaciales. La electrónica comercial también usa oro para platear los puntos de contacto para prevenir la estática y la corrosión. Pero esto podría ser solo el comienzo, dice un grupo de investigadores en Stanford que están batiendo oro con rayos láser para comprender en qué medida puede realmente hacer el metal brillante.

"Ahora podemos ver realmente lo que está sucediendo en la escala atómica", dice el físico de plasma Siegfried Glenzer, director de la división de Alta Energía-Densidad en SLAC, Inverso. "Eso es bastante significativo".

Visualizar el oro a escala atómica requirió una serie de avances tecnológicos, pero eso es exactamente lo que hizo el Laboratorio Nacional de Aceleradores en el Centro de Aceleradores Lineales de Stanford (SLAC), una hazaña que requirió desarrollar un dispositivo que pudiera observar lo que estaba sucediendo con esos átomos individuales. de oro en una escala de tiempo inferior a 100 femtosegundos (lo que significa 100 millonésimas de mil millonésima parte de un segundo).

"Anteriormente", dice Glenzer, "hemos tenido microscopios y hemos tenido más y más herramientas mejoradas, pero esta es realmente la primera vez que podemos ver qué están haciendo los átomos, dónde están los átomos y luego medir. cómo se mueven los átomos, hacia donde van los átomos a medida que excitamos el material ".

"Excitar", aquí, es un término cortés para expulsar oro con un haz ultravioleta pulsante hasta que alcanza temperaturas cercanas a las profundidades del manto de la Tierra, cerca de su núcleo externo fundido. (El oro llega a aproximadamente 3500K ± 500 K, o entre aproximadamente 4900 y 6700 grados Fahrenheit. El punto de fusión del oro es 1948 grados Fahrenheit).

Para capturar realmente lo que estaba sucediendo con el oro cuando se derretía, básicamente tenían que fabricar una especie de cámara de cámara lenta precisa. Lo que eso significa a escala atómica es que el equipo en SLAC rebotó muchos electrones increíblemente rápidos del oro fundido y luego midió cómo se comportaron esos electrones, un proceso llamado difracción de electrones ultrarrápida (UED).

De acuerdo con Glenzer, “Usted dispara un rayo láser sobre el cobre, extrae electrones, atrapa esos electrones en un campo electromagnético, y así sucesivamente. Entonces aceleras esos ".

El grupo de Glenzer en realidad tomó prestado el láser de electrones gratuitos que necesitaban de la instalación de fuente de luz coherente Linac (LCLS) de Stanford.

"Tenían, como, un arma de repuesto, y nos permitieron usar ese arma de repuesto para construir UED".

Lo que podemos aprender derritiendo oro

Entonces, ¿cómo se derrite el oro cuando lo enciendes con un láser ultravioleta? Lo que el grupo descubrió fue que las regiones de oro con átomos espaciados consistentemente en una red cristalina bien organizada se derritieron al final, después de que todas las regiones más desorganizadas entre esas áreas homogéneas se fundieran primero. Es un poco como los cubitos de hielo, si alguna vez has visto diminutos trozos de hielo se derriten más rápido que los grandes bloques de hielo.

Comprender cómo estas líneas de fallas cristalinas en oro fracturan primero y luego se funden, y en general reaccionan al bombardeo de energía, lo que debería ayudar a los científicos e ingenieros a diseñar mejores materiales de oro protector para viajes espaciales, así como para futuros experimentos con reactores de fusión.

"En el espacio exterior, el ambiente es bastante severo", dice Mianzhen Mo, un investigador postdoctoral en Stanford que se ha centrado en la geometría molecular del "oro denso caliente" y que desempeñó un papel fundamental en esta investigación sobre la fusión del oro. "Hay partículas super-energéticas, iones y protones. Entonces, esas partículas van a golpear tu nave espacial, y esas interacciones, el bombardeo, pueden cambiar las propiedades del material ”.

Mo dijo Inverso él espera que los métodos de observación UED también se utilicen con otros materiales especiales diseñados para el espacio y otras condiciones extremas. Como ejemplo, mencionó los semiconductores de carburo de silicio que el ex alumno de Stanford Samira Motiwala ha estado investigando con la NASA para usar en una sonda capaz de sobrevivir en la superficie de Venus de 864 grados Fahrenheit.

"Anteriormente", dice Glenzer, "enviaron un dispositivo a Venus. Creo que fue una sonda rusa. Sobrevivió durante dos minutos y luego se terminó ".

"Y, en realidad, las condiciones en Venus siguen siendo bastante buenas en comparación con los reactores de fusión. Los reactores de fusión serían mucho más extremos ".

Sin embargo, los materiales de alta tecnología no son la única área de investigación científica que podría beneficiarse de la UED. La investigación de Glenzer y Mo, realizada por Stanford en nombre de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos, y publicada el viernes pasado en Ciencia, también podría expandirse a otros campos donde la observación de las actividades atómicas ultrarrápidas (y muy pequeñas) durante las reacciones moleculares podría ser útil.

"La gente ha comenzado a usar UED también para estudiar las reacciones químicas, estudiar las reacciones que son importantes en biología", dice Glenzer. "Creo que esto es solo el comienzo".