物理学家找到了在地球上制造钛星尘的配方

很久以前——在人类出现之前，在地球出现之前，甚至在太阳出现之前——就存在星尘。

随着时间的流逝，太阳系的年轻星球会吞噬掉大部分尘埃，因为这些星球会膨胀成为我们今天所知的太阳、行星和卫星。但有些尘埃幸存了下来，保持着原始状态，被锁在古老的陨石等地方。

科学家称其为太阳前尘埃，因为它在太阳形成之前就形成了。一些太阳前尘埃颗粒含有微小的碳元素，如钻石或石墨；另一些则含有大量其他元素，如硅或钛。其中一种形式含有一种奇特且特别坚硬的材料，称为碳化钛，用于地球上的机床。

现在，物理学家和工程师认为他们已经知道这些特殊的尘埃颗粒是如何形成的。在今天发表在《科学进展》杂志上的一项研究中，研究人员相信他们可以利用这些知识在地球上制造更好的材料。

这些尘埃颗粒极其稀少，体积极小，通常比人类头发的宽度还小。“它们在太阳系形成时就存在，并在这一过程中幸存下来，现在可以在原始的太阳系物质中找到，”比如陨石，华盛顿特区卡内基科学研究所的天体物理学家 Jens Barosch 说，他不是这项研究的作者。

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这项研究的作者们仔细观察了一种独特的尘埃颗粒，它的核心是碳化钛（钛和碳结合在一起，形成一种耐用的陶瓷状材料，几乎和钻石一样坚硬），外壳是石墨。有时，数十个甚至数百个碳涂层核心会聚集成更大的颗粒。

但碳化钛尘埃微粒最初是如何形成的呢？到目前为止，科学家们还不能完全确定。在地球上进行测试很困难，因为潜在的尘埃制造者必须应对重力——而这些颗粒则不必应对重力。但现在科学家可以去一个没有重力的地方了。

2019 年 6 月 24 日，一枚探空火箭从北极圈以北的瑞典寒冷小镇基律纳发射。这枚火箭没有进入轨道。像之前和之后的许多火箭一样，它在天空中划出一道弧线，最高高度约为 150 英里，然后又落回地面。

尽管如此，那次短暂的飞行足以让火箭的部件体验到宇航员在轨道上所经历的微重力环境。其中一个部件是一个装置，科学家可以在里面孵化尘埃颗粒并记录这一过程。

“微重力实验对于了解尘埃的形成至关重要，”日本北海道大学物理学家、论文作者之一 Yuki Kimura 说道。

发射后仅三个多小时，包括六分半钟的微重力环境，火箭就降落在距离发射场约 46 英里的地方。木村和他的同事将回收的尘埃颗粒送回日本进行分析。通过这次发射和地球实验室的后续测试，该团队拼凑出了一种碳化钛尘埃颗粒的配方。

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这个配方可能看起来像这样：首先，从石墨形式的碳原子核心开始；其次，在碳核上撒上钛，直到两种原子开始混合并形成碳化钛；第三，将许多这些核心融合在一起，并用石墨覆盖它们，直到获得大小合适的颗粒。

了解这些古老物质的形成过程是一件很有趣的事情，但天文学家并不是唯一关心这个问题的人。木村和他的同事还认为，了解这一过程可以帮助工程师和建筑商在地球上制造出更好的材料——因为我们已经制造出了与尘埃颗粒完全不同的粒子。

它们被称为纳米粒子，已经存在了几十年。科学家可以将它们插入塑料等聚合物中以增强其强度。道路建设者可以用它们加固脚下的沥青。医生甚至可以将它们插入人体以输送药物或帮助对难以看到的身体部位进行成像。

通常情况下，工程师们通过在液体溶液中生长来制造纳米颗粒。“这种方法对环境的影响很大，例如液体废物，已经成为一个问题，”Kimura 说。那么，Stardust 可以帮助减少这些废物。

机械师已经使用了由碳化钛纳米颗粒涂层强化的工具。就像钻石一样，碳化钛可以帮助工具（通常用于锻造航天器等物品）切割得更坚硬。有朝一日，受星尘启发的机器涂层可能会帮助建造人类送往太空的飞船。