物理学者は地球上でチタンの星屑を作るレシピを解明した

はるか昔、人類よりも前、地球よりも前、太陽よりも前に、星の塵がありました。

やがて、太陽系の若い世界は、それらの天体が今日私たちが知っている太陽、惑星、衛星へと膨らむにつれて、その塵の多くを飲み込んでいった。しかし、塵の一部は、古代の隕石のような場所に閉じ込められ、元の形のまま、そのまま生き残った。

科学者たちはこれを太陽が誕生する前に形成されたことからプレソーラーダストと呼んでいます。プレソーラーダストの粒子の中には、ダイヤモンドやグラファイトのような炭素の小片を含むものもあれば、シリコンやチタンなど他の元素を多く含むものもあります。ある形態には、地球上の工作機械に使用されている、チタンカーバイドと呼ばれる奇妙で特に丈夫な物質が含まれています。

現在、物理学者とエンジニアは、これらの特定の塵粒子がどのように形成されたかについて、ある程度の見当がついていると考えている。本日、科学誌「サイエンス・アドバンス」に発表された研究で、研究者たちは、この知識を地球上でより優れた材料を作るために利用できると考えている。

これらの塵粒子は極めて稀で極めて小さく、多くの場合、人間の髪の毛の幅よりも小さい。ワシントンDCのカーネギー研究所の天体物理学者で、この研究の著者ではないイェンス・バロシュ氏は、「塵粒子は太陽系が形成された時に存在し、その過程を生き延び、現在では隕石などの原始的な太陽系物質の中に見つかっている」と話す。

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研究の著者らは、チタンカーバイド（チタンと炭素を結合させて、ダイヤモンドとほぼ同等の硬さを持つ耐久性のあるセラミックのような材料）の核がグラファイトの殻に包まれた、独特な種類の塵粒子を詳しく調べた。炭素で覆われたこれらの核が数十、あるいは数百個集まって、より大きな粒子になることもある。

しかし、そもそもチタンカーバイドの塵粒子はどのようにして形成されたのでしょうか。これまでのところ、科学者たちははっきりとはわかっていません。地球上でのテストは困難です。塵粒子を作ろうとする者は重力に対処しなければならないからです。しかし、これらの粒子は重力と戦う必要がなかったのです。しかし、科学者たちは今や重力が問題にならない場所に行くことができます。

2019年6月24日、北極圏の北にある極寒のスウェーデンの町キルナから観測ロケットが打ち上げられた。このロケットは軌道には到達しなかった。それ以前やそれ以降の多くのロケットと同様に、このロケットは空を弧を描いて飛び、高度約150マイルでピークに達してから再び落下した。

それでも、その短い飛行は、ロケットの部品が宇宙飛行士が軌道上で経験する微小重力を少しだけ味わうには十分だった。部品の 1 つは、科学者が塵の粒子を培養し、その過程を記録できる装置だった。

「微小重力実験は塵の形成を理解する上で不可欠です」と、論文の著者の一人であり、日本の北海道大学の物理学者、木村由紀氏は言う。

打ち上げからわずか3時間余り、6分半の微小重力期間を経て、ロケットは打ち上げ地点から約46マイル離れた地点に着陸した。木村氏と同僚は回収したダスト粒子を分析のため日本に送り返した。この撮影と地球上の研究室での追跡試験から、研究チームはチタンカーバイドダスト粒子のレシピをまとめ上げた。

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そのレシピは、次のようなものになるかもしれません。まず、グラファイト状の炭素原子のコアから始めます。次に、2種類の原子が混ざり合ってチタンカーバイドが作られるまで、炭素コアにチタンを振りかけます。最後に、これらのコアの多くを融合し、適切な大きさの粒子が得られるまでグラファイトで覆います。

古代の物がどのように形成されたかを垣間見るのは興味深いが、関心があるのは天文学者だけではない。木村氏と彼の同僚はまた、そのプロセスを理解することで、エンジニアや建築者が地球上でより優れた材料を作り出すのに役立つと考えている。なぜなら、私たちはすでに塵の粒子とまったく同じではない粒子を作っているからだ。

これらはナノ粒子と呼ばれ、数十年前から存在しています。科学者は、プラスチックなどのポリマーにナノ粒子を挿入して強化することができます。道路建設者は、足元のアスファルトを補強するためにナノ粒子を使用することができます。医師は、人体にナノ粒子を挿入して薬を投与したり、目に見えない体の部位を画像化したりすることもできます。

通常、技術者は液体溶液内でナノ粒子を成長させることでナノ粒子を作ります。「この方法は、液体廃棄物など環境への影響が大きいことが問題になっています」と木村氏は言います。スターダストは、その廃棄物の削減に役立つ可能性があります。

機械工はすでに、チタンカーバイドナノ粒子のコーティングで強化された工具を使用しています。ダイヤモンドと同様に、チタンカーバイドは、宇宙船などの鍛造によく使用される工具の切削力を高めます。いつの日か、星屑からヒントを得た機械コーティングが、人類が宇宙に送る宇宙船そのものの建造に役立つかもしれません。