L'échantillon à l'intérieur contient des centaines de milliers de nanoparticules qui interagissent avec la lumière transmise. Photo: Stuart Hay, Université nationale australienneL'un des principaux obstacles à la colonisation de Mars et à toute autre mission spatiale habitée est le rayonnement cosmique dangereux. Pendant le vol vers Mars, les
astronautes seront exposés à des particules hautement ionisées de haute énergie , appelées
rayons cosmiques d'origine galactique et solaire (GCR et SCR).
Andrey Miroshnichenko, Andrey Komar, Sergey Kryuk, Yuri Kvishar et ses collègues (tous du Center for Nonlinear Physics de la School of Physics and Engineering de l'Australian National University) dirigés par le Dr Mohsen Rahmani ont
inventé des nanomatériaux aux propriétés physiques inhabituelles propriétés. Les scientifiques pensent que ces propriétés peuvent également être utilisées pour protéger partiellement les combinaisons spatiales et les satellites du rayonnement cosmique.
Par le nombre de particules, les rayons cosmiques sont composés de 92% de protons, de 6% de noyaux d'hélium, d'environ 1% d'éléments plus lourds et d'environ 1% d'électrons. Le spectre énergétique des rayons cosmiques se compose de 43% de l'énergie des protons, de 23% de l'énergie de l'hélium (particules alpha) et de 34% de l'énergie transférée par d'autres particules. En raison de l'énergie extrêmement élevée de plus de 10 MeV, ces particules traversent la doublure de l'engin spatial et les tissus mous des astronautes, y compris le cerveau. Dans le corps humain, les rayonnements ionisants provoquent une variété de dommages au niveau moléculaire, notamment en perturbant les processus de réparation cellulaire et en ralentissant la guérison des tissus endommagés. Les GCR provoquent des perturbations du système nerveux, y compris
une détérioration à long terme de la capacité mentale due à la simplification de la structure dendritique, des changements dans les niveaux de protéines dans les synapses et une inflammation du tissu nerveux (des
expériences ont été réalisées sur des souris ).
La NASA et les équipes de recherche du monde entier cherchent maintenant un moyen de créer la protection la plus efficace contre les rayonnements spatiaux. L'approche la plus directe pour une telle protection est une épaisse couche de certains matériaux qui
absorbe les rayons cosmiques. Un groupe de scientifiques australiens propose une manière radicalement différente: leur matériau n'absorbe pas, mais
disperse le rayonnement. Ils le décrivent plus en détail dans leur article scientifique «Réglage thermique réversible des métasurfaces tout diélectriques».
Une métasurface est une structure bidimensionnelle de nanoparticules ou microparticules situées dans l'espace selon une certaine loi à des distances plus courtes que la longueur d'onde . Les métasurfaces sont utilisées en photonique pour modifier le front et la phase du rayonnement électromagnétique incident selon une loi donnée. Les métasurfaces sont particulièrement intéressantes dans lesquelles les particules modifient l'indice de réfraction en fonction de l'influence externe - lumière, champ magnétique ou température.
Dans ce cas, la métasurface diélectrique réfléchit ou transmet la lumière en fonction de l'indice de réfraction du silicium, qui dépend de la température. Autrement dit, ses propriétés peuvent être contrôlées en chauffant ou en refroidissant la surface. Les scientifiques ont montré comment obtenir une résonance claire grâce aux interférences entre les modes
dipôle magnétique et
quadripôle électrique dans un réseau de nanoparticules 2D spécialement composé.
En contrôlant la température, cette résonance peut être contrôlée et une diffusion directionnelle (c'est-à-dire une diffusion dans un angle étroit) à partir de la métasurface dans la fenêtre spectrale de 75 nm peut être induite. Cela peut entraîner une augmentation de 50 fois de l'anisotropie du rayonnement (directionnalité du rayonnement). Les auteurs pensent qu'un tel changement réversible des propriétés du matériau peut être utile dans divers domaines, y compris les méta-lentilles et les
méta-hologrammes . Le film modifie l'indice de réfraction (transparent ou opaque), y compris dans la plage de lumière visible, de sorte qu'il peut être utilisé dans la décoration intérieure - pour couvrir les fenêtres (au lieu de rideaux ou de stores), dans les voitures, etc. De plus, ces métasurfaces peuvent être utilisées au moins pour la diffusion partielle des rayons cosmiques.
Le professeur agrégé Andrei Miroshnichenko (à gauche) et le Dr Mohsen Rahmani, principaux auteurs des travaux scientifiques, présentent le nouveau nanomatériau. Photo: Stuart Hay, Université nationale australienneUn mince film de ce métamatériau est appliqué sur n'importe quelle surface, y compris les combinaisons spatiales. «Notre invention a de nombreuses utilisations potentielles, telles que la protection d'astronautes ou de satellites avec un film ultra-mince qui peut être réglé pour réfléchir les rayons ultraviolets ou infrarouges dangereux dans différents environnements»,
explique le Dr Rahmani. «Cette technologie élève considérablement le seuil de résistance aux rayonnements nocifs par rapport aux technologies modernes qui reposent sur l'absorption des rayonnements dans une couche épaisse de [substance].»
Il est difficile d'imaginer comment un film pratiquement bidimensionnel protège contre les particules gamma de haute énergie avec une énergie de 10 MeV. Ce n'est probablement pas possible. Peut-être que le film est capable de réfléchir / diffuser des particules / ondes avec moins d'énergie. Dans tous les cas, le matériau est utile s'il est vraiment plus efficace qu'une épaisse couche de plomb ou d'eau, comme disent les scientifiques.
Les travaux scientifiques ont été
publiés le 3 juillet 2017 dans la revue
Advanced Functional Materials (doi: 10.1002 / adfm.201700580).