Образец внутри содержит сотни тысяч наночастиц, которые взаимодействуют с проходящим светом. Фото: Stuart Hay, Австралийский национальный университет

Одно из главных препятствий для колонизации Марса и любых других пилотируемых космических миссий — опасная космическая радиация. Во время перелёта к Марсу космонавты подвергнутся воздействию высокоэнергетических сильно ионизированных частиц, известных как космические лучи галактического и солнечного происхождения (ГКЛ и СКЛ).

Андрей Мирошниченко, Андрей Комар, Сергей Крюк, Юрий Квишар с коллегами (все — из Центра нелинейной физики в Научно-исследовательской школе физики и инженерии при Австралийском национальном университете) под руководством д-ра Мохсена Рахмани (Mohsen Rahmani) изобрели наноматериал, обладающий необычными физическими свойствами. Учёные считают, что эти свойства можно использовать в том числе для частичной защиты скафандров и спутников от космической радиации.

По количеству частиц космические лучи на 92% состоят из протонов, на 6% — из ядер гелия, около 1% составляют более тяжёлые элементы, и около 1% приходится на электроны. Энергетический спектр космических лучей на 43% состоит из энергии протонов, ещё на 23% — из энергии гелия (альфа-частиц) и 34% энергии, переносимой остальными частицами. Благодаря чрезвычайно высокой энергии более 10 МэВ эти частицы проходят через обшивку космического аппарата и через мягкие ткани космонавтов, в том числе через мозг. В теле человека ионизирующее излучение наносит разнообразные повреждения на молекулярном уровне, в том числе нарушая процессы восстановления клеток и замедляя заживление повреждённых тканей. ГКЛ вызывают нарушения в нервной системе, в том числе долговременное ухудшение умственных способностей из-за упрощения дендритной структуры, изменения уровней протеина в синапсах и воспаления нервной ткани (эксперименты были проведены на мышах).

НАСА и научно-исследовательские коллективы по всему миру сейчас ищут способ для создания наиболее эффективной защиты от космической радиации. Наиболее прямой подход для такой защиты — толстый слой некоего материала, который поглощает космические лучи. Группа австралийских учёных предлагают кардинально иной способ: их материал не поглощает, а рассеивает излучение. Более подробно они описывают его в своей научной статье «Реверсивная термическая настройка полностью диэлектрических метаповерхностей» (Reversible Thermal Tuning of All-Dielectric Metasurfaces).

Метаповерхность представляет собой двумерную структуру наночастиц или микрочастиц, расположенных в пространстве по определённому закону на расстояниях, меньших, чем длина волны. Метаповерхности используют в фотонике для изменения фронта и фазы падающего электромагнитного излучения по заданному закону. Особый интерес представляют метаповерхности, в котором частицы меняют показатель преломления в зависимости от внешнего воздействия — света, магнитного поля или температуры.

В данном случае диэлектрическая метаповерхность отражает или пропускает свет в зависимости от показателя преломления кремния, который зависит от температуры. То есть её свойствами можно управлять, нагревая или охлаждая поверхность. Учёные показали, как добиться чёткого резонанса за счёт интерференции между режимами магнитного диполя и электрического квадруполя в специальным образом составленной 2D-решётке наночастиц.



Управляя температурой, можно управлять этим резонансом и вызвать направленное рассеяние (то есть рассеяние в узком угле) с метаповерхности в спектральном окне 75 нм. Это может привести к 50-кратному усилению анизотропии излучения (radiation directionality). Авторы считают, что такое обратимое изменение свойств материала может быть полезно в разных областях, в том числе в мета-линзах и мета-голограммах. Плёнка меняет показатель преломления (прозрачная или непрозрачная) в том числе в видимом диапазоне света, так что её можно применять в дизайне интерьеров — для покрытия окон (вместо штор или жалюзи), в автомобилях и т.д. Также эти метаповерхности можно использовать хотя бы для частичного рассеяния космических лучей.


Доцент Андрей Мирошниченко (слева) и д-р Мохсен Рахмани, ведущие авторы научной работы, демонстрируют новый наноматериал. Фото: Stuart Hay, Австралийский национальный университет

Тонкая плёнка из этого метаматериала наносится на любую поверхность, в том числе на скафандры. «Наше изобретение имеет множество потенциальных применений, таких как защита космонавтов или спутников сверхтонкой плёнкой, которая может настраиваться для отражения опасного ультрафиолетового или инфракрасного излучения в разных окружениях, — говорит д-р Рахмани. — Эта технология значительно повышает порог сопротивления против вредоносной радиации по сравнению с современными технологиями, которые полагаются на поглощение радиации в толстом слое [вещества]».

Сложно представить, как практически двумерная плёнка защитит от высокоэнергетических гамма-частиц с энергией в 10 МэВ. Наверное, это невозможно. Может быть, плёнка способна отражать/рассеивать частицы/волны с меньшей энергией. В любом случае, материал полезный, если он действительно эффективнее, чем толстый слой свинца или воды, как это заявляют учёные.

Научная работа опубликована 3 июля 2017 года в журнале Advanced Functional Materials (doi:10.1002/adfm.201700580).