به گزارش روز چهارشنبه گروه علمی ایرنا از ستاد توسعه فناوری نانو، دانشمندان دانشگاه سوری (University of Surrey) در بریتانیا با استفاده از فناوری نانوحباب‌های هلیوم، گامی بزرگ در حل یکی از پرسش‌های بنیادی اخترفیزیک برداشته‌اند که عناصر سنگین‌تر از آهن در جهان چگونه پدید آمده‌اند.
این پژوهش که در مرکز ملی شتاب‌دهنده کانادا (TRIUMF) انجام شده، نه تنها سرنخ‌هایی ارزشمند در مورد منشأ کیهانی عناصر سنگینی چون نقره، طلا و اورانیوم ارائه داده، بلکه می‌تواند به بهبود فناوری راکتورهای هسته‌ای نیز منجر شود. نتایج این مطالعه در نشریه معتبر Physical Review Letters منتشر شده است.
تا پیش از این، دو فرایند اصلی برای شکل‌گیری عناصر سنگین مطرح بود، نخست: فرایند کند (s-process) که در هسته‌ی ستارگان رخ می‌دهد و به‌خوبی شناخته شده، و دوم، فرایند سریع (r-process) که هنوز رازآلود باقی مانده است. در r-process، در جریان رویدادهای شدید کیهانی نظیر ابرنواخترها و برخورد ستارگان نوترونی، هسته‌های اتمی در محیطی سرشار از نوترون، این ذرات را با سرعت جذب می‌کنند، پیش از آن‌که دچار واپاشی بتا شوند.
اما شواهد اخیر حاکی از وجود گونه‌ای ضعیف‌تر از r-process است که تنها عناصر سنگین متوسط (با عدد اتمی ۳۷ تا ۴۷ مانند روبیدیوم تا نقره) را پدید می‌آورد، بی‌آنکه به سراغ عناصر بسیار سنگینی چون طلا یا اورانیوم برود.
برای بررسی دقیق این فرایند ضعیف، تیم پژوهشی به سرپرستی دکتر متیو ویلیامز (Matthew Williams) واکنش هسته‌ای خاصی را بررسی کردند که در آن ایزوتوپ رادیواکتیو استرانسیوم-۹۴ (⁹⁴Sr) با جذب ذره آلفا (هسته هلیوم)، نوترونی آزاد می‌کند و به زیرکونیوم-۹۷ (⁹⁷Zr) تبدیل می‌شود.
این آزمایش شامل چهار مرحله پیچیده بود؛ تولید یون‌های استرانسیوم-۹۴ از هدف اورانیومی که توسط پروتون‌های پرانرژی بمباران شده، جداسازی این یون‌ها با لیزر و طیف‌سنج مغناطیسی، شتاب‌دهی آن‌ها به انرژی‌های مشابه انفجارهای ابرنواختری، برخورد آن‌ها با هدفی از جنس فیلم نازک سیلیکونی حاوی میلیاردها نانوحباب هلیوم که توسط مؤسسه علوم مواد سویل (CSIC) در اسپانیا ساخته شده بود.
این فناوری نانویی نوین، برخلاف روش‌های پیشین، امکان تراکم مقدار زیادی گاز هلیوم در فضایی بسیار کوچک را فراهم می‌سازد و برای نخستین‌بار اندازه‌گیری دقیق واکنش‌های سوزش هلیوم با پرتوهای رادیواکتیو را ممکن می‌سازد.
با استفاده از آرایه‌ای از آشکارسازهای گاما و طیف‌سنج جرمی، پژوهشگران موفق شدند واکنش مورد نظر را شناسایی و احتمال وقوع آن را در شرایط مشابه انفجارهای کیهانی اندازه‌گیری کنند. این داده‌ها اکنون در اختیار مدل‌سازان اخترفیزیک قرار می‌گیرد تا نقشه‌های دقیق‌تری از تولید عناصر در کیهان ارائه دهند.
ویلیامز تأکید دارد که این فناوری می‌تواند به اندازه‌گیری شمار زیادی از واکنش‌های مشابه در آینده منجر شود و به دانشمندان کمک کند تعیین کنند که r-process ضعیف دقیقاً در کجا رخ می‌دهد: در بادهای نوترینویی ناشی از ابرنواخترها یا در بخشی از ماده پرتاب‌شده در برخورد ستارگان نوترونی؟
افزون بر جنبه‌های اخترفیزیکی، نتایج این پژوهش کاربردهای صنعتی نیز دارد. ویلیامز می‌گوید: «با به‌روزرسانی مدل‌های واکنش هسته‌ای به‌ویژه برای ایزوتوپ‌های رادیواکتیو، می‌توانیم مواد مقاوم‌تری برای راکتورهای هسته‌ای طراحی کنیم که دوام بیشتری داشته باشند و دیرتر نیاز به تعویض پیدا کنند.»
به این ترتیب، فناوری حباب‌های نانویی هلیوم نه‌تنها پنجره‌ای تازه به تاریخ کیهانی عناصر گشوده، بلکه نویدبخش نوآوری‌های صنعتی در عصر انرژی‌های نو نیز است.