Materialer fra rumalderen, et atomlag ad gangen

Rummet kan være et farligt sted. Mikrometeoritter, solpartikler, og rumskrammel - alt fra brugte raketstadier til malingsfragmenter - glider forbi satellitter med op til 20 kilometer i sekundet, udgør en fare for deres følsomme rumfartøjsoptik, detektorer, og solpaneler.

Selvom ingeniører har udviklet forskellige teknikker til at beskytte rumfartøjer fra disse hurtigt bevægende hvirvlende dervisher, intet giver 100 procent beskyttelse.

En teknolog ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Md., imidlertid, eksperimenterer med en ny teknologi, der kan give en anden, måske mere effektivt, teknik til at forsvare følsomme rumfartøjskomponenter fra højhastighedsbombardementerne.

Vivek Dwivedi og hans samarbejdspartner, professor i kemiingeniør Raymond Adomaitis fra University of Maryland, College Park, bruger atomic layer deposition (ALD) - en teknologi i hastig udvikling til belægning af plast, halvledere, glas, Teflon, og en overflod af andre materialer-for at skabe en ny superstærk, ultratynd belægning lavet af bittesmå rør af bornitrid, ligner i udseende til børsterne på en tandbørste.

''Krystallinsk bornitrid er et af de hårdeste materialer i verden, '' sagde Dwivedi, hvilket gør den ideel som belægning til at gøre følsomme rumfartøjskomponenter mindre modtagelige for beskadigelse, når de rammes af rumstøv, små sten, og højenergisolpartikler.

Atomisk lagaflejring

ALD teknikken, som halvlederindustrien har taget i brug i sin fremstilling af computerchips, involverer at placere et substratmateriale inde i et reaktorkammer og sekventielt pulsere forskellige typer forstadiegasser for at skabe en ultratynd film, hvis lag bogstaveligt talt ikke er tykkere end et enkelt atom.

ALD adskiller sig fra andre teknikker til påføring af tynde film, fordi processen er opdelt i to halvreaktioner, køres i rækkefølge, og gentages for hvert lag. Som resultat, teknikere kan nøjagtigt kontrollere tykkelsen og sammensætningen af ​​de aflejrede film, selv dybt inde i porer og hulrum. Dette giver ALD en unik evne til at belægge i og omkring 3D-objekter. Denne fordel - kombineret med det faktum, at teknologer kan skabe film ved meget lavere temperaturer end med de andre teknikker - har ført mange i optikken, elektronik, energi, tekstil, og biomedicinske anordninger til at erstatte ældre deponeringsteknikker med ALD.

Ifølge Dwivedi, hvis teknikere bruger ALD til at belægge glas med aluminiumoxid, for eksempel, de kan styrke glas med mere end 80 procent. De resulterende tynde film virker som ''nano kit, '' udfylder de nanometerskader, der findes i glas - de selvsamme små revner, der får glas til at gå i stykker, når det rammes af en genstand. '' Denne ALD-applikation har store muligheder for næste generations besætningsmoduler, '' sagde Dwivedi. ''Vi kunne mindske tykkelsen af ​​glasvinduerne uden at ofre styrken.''

''Det er rigtig spændende, '' sagde Ted Swanson, Goddards assisterende chef for teknologi til mekaniske systemer. ''Dette er en ny teknologi, der tilbyder en helt ny måde at beskytte rumfartøjskomponenter på, måske mere effektivt end hvad der er muligt med nuværende teknikker. Lige så vigtigt, med ALD, vi kan nedlægge materiale billigere.''

''Hårdeste materialer i 'Verden'

Det betyder ikke, at opgaven er let, Sagde Dwivedi.

Fremstilling af en ALD-baseret belægning lavet af bor og andre forstadiegasser er usædvanligt vanskeligt at gøre. I øjeblikket, teknologer fremstiller borfilm ved at reagere borpulver med nitrogen og en lille mængde ammoniak i et kammer, der skal opvarmes til en brændende 2, 552 grader Fahrenheit - en dyr proces. Med ALD, ultratynd bornitridfilm kunne lægges i et kammer, der ikke er varmere end 752 grader Fahrenheit.

''Vores team har studeret vanskelighederne og tror, ​​vi forstår, hvorfor de sker, '' sagde Dwivedi. Som resultat, han tror på, at holdet vil lykkes med at afsætte bornitrid på et siliciumsubstrat til næste år. Hvis efterfølgende test på Goddard og NASAs Langley Research Center i Hampton, Va., bevise materialets effektivitet som en beskyttende belægning, han mener, at instrumentdesignere en dag kan bruge teknologien til at belægge spejle, rumfartøjer busser, og andre komponenter. En sådan test kan forekomme allerede næste sommer.

Ud over at skabe en beskyttende belægning, Dwivedi og hans team bruger midler fra Goddards interne forsknings- og udviklingsprogram og NASA's Center Innovation Fund til at teste teknikken som en mulig måde at belægge røntgenteleskopspejle på. som skal være buet for at opsamle højenergi røntgenfotoner, der ellers ville trænge igennem flade spejle, og radiatorer nødvendige for at lede varme væk fra følsomme instrumenter.

''Denne teknologi kan belægge alt. Det er perfekt punkt-til-punkt. Der er så mange applikationer til denne teknologi, '' sagde Dwivedi. ''Det eneste, der begrænser brugen af ​​det, er din fantasi.''