Menciptakan film yang melindungi terhadap radiasi kosmik

Sampel di dalamnya mengandung ratusan ribu nanopartikel yang berinteraksi dengan cahaya yang ditransmisikan. Foto: Stuart Hay, Universitas Nasional Australia

Salah satu kendala utama penjajahan Mars dan misi ruang angkasa berawak lainnya adalah radiasi kosmik yang berbahaya. Selama penerbangan ke Mars, para astronot akan terkena partikel berenergi tinggi berenergi tinggi , yang dikenal sebagai sinar kosmik asal galaksi dan matahari (GCR dan SCR).

Andrey Miroshnichenko, Andrey Komar, Sergey Kryuk, Yuri Kvishar dan rekan (semua dari Pusat Fisika Nonlinier di Sekolah Fisika dan Teknik di Universitas Nasional Australia) yang dipimpin oleh Dr. Mohsen Rahmani menemukan nanomaterial dengan fisik yang tidak biasa properti. Para ilmuwan percaya bahwa sifat-sifat ini juga dapat digunakan untuk melindungi sebagian antariksa dan satelit dari radiasi kosmik.

Dengan jumlah partikel, sinar kosmik terdiri dari proton sebesar 92%, inti helium sebesar 6%, unsur yang lebih berat membentuk sekitar 1%, dan elektron menyumbang sekitar 1%. Spektrum energi sinar kosmik terdiri dari 43% energi proton, 23% energi helium (partikel alfa) dan 34% energi yang ditransfer oleh partikel lain. Karena energi yang sangat tinggi lebih dari 10 MeV, partikel-partikel ini melewati lapisan pesawat ruang angkasa dan melalui jaringan lunak astronot, termasuk melalui otak. Dalam tubuh manusia, radiasi pengion menyebabkan berbagai kerusakan pada tingkat molekuler, termasuk mengganggu proses perbaikan sel dan memperlambat penyembuhan jaringan yang rusak. GCR menyebabkan gangguan pada sistem saraf, termasuk kemunduran jangka panjang dalam kemampuan mental karena penyederhanaan struktur dendritik, perubahan kadar protein dalam sinapsis dan radang jaringan saraf ( percobaan dilakukan pada tikus ).

NASA dan tim peneliti di seluruh dunia sekarang mencari cara untuk menciptakan perlindungan paling efektif terhadap radiasi ruang. Pendekatan paling langsung untuk perlindungan semacam itu adalah lapisan tebal beberapa bahan yang menyerap sinar kosmik. Sekelompok ilmuwan Australia menawarkan cara yang sangat berbeda: bahan mereka tidak menyerap, tetapi menyebarkan radiasi. Mereka menggambarkannya secara lebih rinci dalam artikel ilmiah mereka "Penyesuaian Thermal Reversibel dari Semua Metasurfaces Semua-Dielektrik".

Sebuah metasurface adalah struktur dua dimensi dari nanopartikel atau mikropartikel yang terletak di ruang angkasa menurut hukum tertentu pada jarak yang lebih pendek dari panjang gelombang . Metasurfaces digunakan dalam fotonik untuk mengubah depan dan fase dari insiden radiasi elektromagnetik sesuai dengan hukum yang diberikan. Yang menarik adalah metasurface di mana partikel mengubah indeks bias tergantung pada pengaruh eksternal - cahaya, medan magnet atau suhu.

Dalam hal ini, metasurface dielektrik memantulkan atau mentransmisikan cahaya tergantung pada indeks bias silikon, yang tergantung pada suhu. Artinya, sifat-sifatnya dapat dikontrol dengan memanaskan atau mendinginkan permukaan. Para ilmuwan telah menunjukkan cara mencapai resonansi yang jelas karena gangguan antara dipol magnetik dan mode quadrupole listrik dalam kisi 2D nanopartikel yang tersusun khusus.



Dengan mengendalikan suhu, resonansi ini dapat dikontrol dan hamburan terarah (yaitu hamburan dalam sudut sempit) dari permukaan metas dalam jendela spektral 75 nm dapat diinduksi. Ini dapat menyebabkan peningkatan 50 kali lipat dalam radiasi anisotropi (directionality radiasi). Para penulis percaya bahwa perubahan sifat bahan yang dapat dibalik dapat bermanfaat dalam berbagai bidang, termasuk meta-lensa dan meta-hologram . Film ini mengubah indeks bias (transparan atau buram), termasuk dalam rentang cahaya yang terlihat, sehingga dapat digunakan dalam desain interior - untuk menutupi jendela (bukan tirai atau kerai), di mobil, dll. Juga, metasurfaces ini dapat digunakan setidaknya untuk hamburan sebagian sinar kosmik.


Associate Professor Andrei Miroshnichenko (kiri) dan Dr. Mohsen Rahmani, penulis terkemuka dari karya ilmiah, menunjukkan bahan nano baru. Foto: Stuart Hay, Universitas Nasional Australia

Lapisan tipis metamaterial ini diterapkan ke permukaan apa pun, termasuk pakaian antariksa. "Penemuan kami memiliki banyak kegunaan potensial, seperti melindungi astronot atau satelit dengan film ultra-tipis yang dapat disetel untuk mencerminkan radiasi ultraviolet atau inframerah berbahaya di lingkungan yang berbeda," kata Dr. Rahmani. "Teknologi ini secara signifikan meningkatkan ambang resistensi terhadap radiasi berbahaya dibandingkan dengan teknologi modern yang mengandalkan penyerapan radiasi pada lapisan [zat] yang tebal."

Sulit membayangkan bagaimana film dua dimensi praktis melindungi terhadap partikel gamma berenergi tinggi dengan energi 10 MeV. Ini mungkin tidak mungkin. Mungkin film ini mampu memantulkan / menyebarkan partikel / gelombang dengan energi lebih sedikit. Bagaimanapun, bahan ini berguna jika benar-benar lebih efektif daripada lapisan timah atau air yang tebal, seperti yang dikatakan para ilmuwan.

Karya ilmiah diterbitkan pada 3 Juli 2017 dalam jurnal Advanced Functional Materials (doi: 10.1002 / adfm.201700580).