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由于人类的聪明才智和零重力，我们从太空科学中获得了重要的好处。考虑一下内置导航系统和摄像头的智能手机。

这些革命性的技术似乎一夜之间就融入了我们日常生活的节奏。但它们是在多年的发现和发展中出现的，这些材料可以承受大气层外的恶劣环境。他们从几十年的基础科学基础发展而来，以了解原子在不同条件下在不同材料中的行为。

在过去的基础上，一个全球研究团队为未来的实验设定了一个新的基准，即在太空中制造材料，而不是在太空中制造材料。该团队包括来自美国能源部橡树岭和阿贡国家实验室、材料开发公司、美国宇航局、日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)、ISIS中子和介子源、阿尔弗雷德大学和新墨西哥大学的成员。他们一起发现，许多种类的玻璃，包括可以用于下一代光学设备的玻璃，具有相似的原子结构和排列，并且可以在太空中成功制造。

该团队的论文发表在《npj微重力》杂志上。

Jörg Neuefeind于2004年加入ORNL，在实验室的散裂中子源(SNS)上建造了一台名为NOMAD的仪器，他说:“我们的想法是找出太空制造背后的机制，这可能会产生地球上不一定能得到的材料。”NOMAD是世界上最快的中子衍射仪，它通过观察中子如何从原子上反弹来帮助科学家测量原子的排列。NOMAD是SNS的20种仪器之一，这些仪器帮助科学家们回答重大问题，并激发无数的创新，比如更有效地治疗疾病的药物，更可靠的飞机和火箭发动机，更省油的汽车，更安全、充电更快、使用更久的电池。

日本宇宙航空研究开发机构的操作员在地球上制造并熔化了国际空间站(ISS)上的玻璃，通过使用悬浮器进行远程控制。在实验过程中，悬浮器用于悬浮材料样品，以避免与其他材料接触而产生干扰。

几个月后，下一次国际空间站任务结束，太空玻璃被带回地球，研究人员使用了包括中子、x射线和强大的显微镜在内的综合技术来测量和比较天上和地上制造和熔化的玻璃。

日本宇宙航空研究开发机构的石川武彦(Takehiko Ishikawa)说:“我们发现，通过无容器技术，比如悬浮器，我们可以在微重力下制造出非常规的玻璃。”石川武彦是静电悬浮器的先驱，静电悬浮器用于在国际空间站上制造玻璃珠。

研究人员依靠SNS的NOMAD用中子和阿贡先进光子源的光束线研究玻璃样品，用x射线研究样品。SNS和APS都是美国能源部科学办公室的用户设施。

材料开发公司的斯蒂芬·威尔克是阿贡国家实验室的访问科学家，他说:“你能飞到太空并带回来的材料是有限的，这实际上是NOMAD非常适合这个实验的原因之一。”“我们得到的只是直径约为八分之一英寸的单个玻璃珠，这在原子结构方面很难测量。由于NOMAD擅长测量极小的样品，它使我们能够轻松地将我们在实验室制造的单个珠子与在空间站制造的珠子进行比较。”

玻璃的奥秘

事实证明，玻璃并没有那么清晰。与盐等结晶固体不同，玻璃原子没有统一的结构。它不寻常的原子排列虽然非常稳定，但最好的描述可能是一个共享配位原子的随机分子网络。玻璃既不是完全固体的，也不是完全液体的，它有不同的形式，包括聚合物、氧化物和金属，比如用于眼镜镜片、光纤线和深空任务的硬件。

2022年，Neuefeind、Wilke和玻璃行业主题专家Rick Weber对钕和钛的两种氧化物进行了实验，发现了光学应用的潜力。这两个元素的结合显示出在类似的研究活动中没有看到的不同寻常的优势。这些发现促使他们继续在美国宇航局进行目前的研究。

“(2022年的实验)教会了我们一些非常了不起的东西，”材料开发公司的韦伯说。“其中一种玻璃的网络与普通的四坐标二氧化硅网络完全不同。这些眼镜有一个六坐标网络。他们真的就在那里。从玻璃科学的角度来看，这很令人兴奋。但作为一个实际问题，这也意味着有更多的机会用光学材料和新型设备做新的事情。”

科学家们经常同时使用中子和x射线来收集其他技术无法产生的数据，使我们能够了解样品中不同元素的原子排列。中子帮助研究小组看到了太空玻璃中较轻的元素，比如氧，而x射线帮助他们看到了较重的元素，比如钕和钛。如果太空玻璃和地面玻璃之间存在显著差异，它们很可能表现在氧化亚晶格，或氧原子的排列，重原子的分布，或两者兼而有之。

随着科学家探索新的领域，中子将成为解开物质奥秘的越来越重要的工具。

Neuefeind说:“我们不仅要了解空间对物质的影响，还要了解空间对物质形成的影响。”“由于它们独特的性质，中子是解决这类难题的一部分。”