Esquema de agrupación y agrupamiento de partículas coloidales cargadas positiva y negativamente. m es el número de asociación. Fuente: Organización Australiana de Ciencia y Tecnología Nuclear (ANSTO)
Un estudio realizado por un grupo de científicos de la Universidad de la Ciudad de Nagoya (NCU), el Foro Espacial de Japón (JSF), los Servicios de Ingeniería Avanzada (AES), la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) y ANSTO ha revelado la acumulación de partículas cargadas en el entorno de microgravedad de la Estación Espacial Internacional (ISS), con implicaciones para el desarrollo de materiales fotónicos, fármacos mejorados y una gama de materiales nuevos e innovadores que dependen de la mezcla de dos o más partículas cargadas.
Un estudio experimental que se publicó en por ejemplo, microgravedady realizado en la ISS, determinó cómo interactúan las partículas cargadas coloidales de tamaño submicrónico en presencia y ausencia de la gravedad de la Tierra.
“Muchos fenómenos químicos y físicos dependen en gran medida de la comprensión de cómo dos partículas interactúan entre sí, especialmente las partículas cargadas”, dijo el científico principal y coautor de ANSTO, el Dr. Jitendra Mata.
“El mejor ejemplo es cuando las partículas coloidales forman grupos tetraédricos, comúnmente conocidos como redes de diamante, que son necesarias para la producción de materiales fotónicos. El control del autoensamblaje de partículas coloidales permite la construcción de un nuevo material que se puede utilizar en fotónica, optoelectrónica, detección y diagnóstico clínico”.
Es bien sabido que incluso la más mínima sedimentación gravitatoria y convección en la Tierra afecta las interacciones de las partículas y su disposición en un coloide. Esto dificulta el importante conocimiento del efecto de carga.
Este conocimiento también puede ayudar a diseñar mejores formulaciones de medicamentos con una vida útil más larga y una mejor eficacia.
Para este estudio, los científicos seleccionaron partículas con carga positiva y negativa más ligeras y más pesadas. Las partículas de poliestireno son tan pesadas como el medio acuático que las contiene, y las partículas de titanio son aproximadamente tres veces más pesadas que el sustrato.
Las muestras se inmovilizaron en un gel después de su interacción para que pudieran ser devueltas a la Tierra para varios experimentos.
(d) Bolsa de muestra que consta de dos compartimentos tetrapack conectados por una partición frangible (e) Sistema de exposición UV. (f) Muestra (Titania #23) frente al suelo y (g) Sección transversal de una muestra espacial fijada en gel y una muestra de suelo. Fuente: Organización Australiana de Ciencia y Tecnología Nuclear (ANSTO)
Los estudios han demostrado que los cúmulos formados por partículas más ligeras en el espacio son un 50 % más grandes que los cúmulos formados en la Tierra. Este es un descubrimiento revolucionario porque no se esperaba para partículas más ligeras.
En el caso de partículas pesadas como el óxido de titanio, también se confirmaron interacciones electrostáticas y agrupamientos, lo que no es posible en absoluto en la Tierra.
Este estudio también requirió una maravilla de ingeniería en términos de diseño de la configuración experimental para mezclar las muestras en el espacio e inmovilizar esas muestras después de mezclarlas.
Después de que JAXA seleccionó el diseño, el equipo trabajó en estrecha colaboración con varias organizaciones para crear una configuración personalizada que permitiera mezclar e inmovilizar grupos en el gel con luz LED-UV.
Se prepararon dos juegos de muestras en Japón; uno fue enviado a la ISS usando el cohete Falcon (Space-X) y el transportador Dragon SpX-19, y el otro fue usado en un experimento en tierra. La tripulación de la ISS utilizó el procedimiento recomendado para mezclar las muestras antes de curarlas con luz LED-UV. Después de pasar más de un año en el espacio, las muestras fueron devueltas a la Tierra y enviadas a varios institutos para su análisis.
El conjunto de muestra fue a ANSTO, hogar de dos instrumentos basados en reactores de última generación: el Quokka Small Angular Neutron Scatter (SANS) y el Kookaburra Very Small Angular Neutron Scatter (USANS).
“Quokka y Kookaburra son instrumentos únicos que han brindado información sin igual sobre la estructura de grupos que es muy difícil de estudiar con otras técnicas. Gracias a la variabilidad del contraste entre SANS y USANS, fue posible obtener información sobre los componentes individuales del proceso de agrupación», dijo el Dr. Mata.
Los datos combinados de estos dos instrumentos proporcionaron información importante sobre la morfología estructural y las interacciones carga-carga de partículas coloidales de ~1 nm a 10 µm, sin comprometer el entorno cristalino de las muestras. El estudio también involucra muchas otras técnicas, incluyendo modelos matemáticos y simulaciones.
Proporcionado por la Organización Australiana de Ciencia y Tecnología Nuclear (ANSTO)