NASA undersøger brugen af ​​banebrydende materiale til nye sensorer

Små sensorer - fremstillet af et potentielt banebrydende materiale, der kun er et atom tykt og varslet som den "næstbedste ting" siden opfindelsen af ​​silicium - udvikles nu til at detektere sporstoffer i Jordens øvre atmosfære og strukturelle fejl i rumfartøjer.

Teknolog Mahmooda Sultana, der sluttede sig til NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Md., for to år siden og er siden dukket op som Goddards go-to ekspert i udviklingen af ​​grafenbaseret teknologi, har udvidet sin portefølje til at omfatte to nye forsknings- og udviklingsindsatser med det formål at skabe detektorer i nanostørrelse, der kunne detektere atomært ilt og andre sporstoffer i den øvre atmosfære og strukturelle belastninger i alt fra flyvinger til rumfartøjsbusser.

"Det fede ved grafen er dets egenskaber, "sagde Jeff Stewart, fungerende assisterende chef for teknologi for Goddards afdeling for mekaniske systemer. "Det giver en overflod af muligheder. Helt ærligt, vi er lige begyndt. "

Graphene, først opdaget i 2004 af russiskfødte forskere Andre Geim og Konstantin Novoselov, er kun et atom tykt og består af carbonatomer arrangeret i tæt bundne sekskanter, der bedst visualiseres som kyllingetråd i atomskala. To hundrede gange stærkere end konstruktionsstål, det er ikke kun det stærkeste materiale, der nogensinde er målt, men også den mest følsomme og stabile ved ekstreme temperaturer, gør den ideel til alle former for anvendelser. Siden dens opdagelse, hundredvis af organisationer verden over har iværksat forskningsindsats for at drage fordel af materialets unikke egenskaber.

Goddard er en i det voksende kontingent.

For mere end et år siden, Sultana og hendes team vandt forsknings- og udviklingsfinansiering til at oprette produktionsfaciliteter og finjustere behandlingsteknikker til fremstilling af grafen ved hjælp af en teknik kaldet kemisk dampaflejring (CVD), en teknik, der også bruges til fremstilling af computerchips. Med denne tilgang, teknikere placerer et metalsubstrat inde i et vakuumkammer og injicerer gasser, der derefter reagerer eller nedbrydes for at producere den ønskede tynde film.

Siden da, det er lykkedes gruppen at fremstille og forarbejde relativt store, stykker af grafen af ​​høj kvalitet, og er nu klar til at anvende sin ekspertise til at fremme andre applikationer. "En af de mest lovende anvendelser af dette materiale er som en kemisk sensor, "Sagde Sultana.

Kemiske sensorer

Hun har samarbejdet med den pensionerede Goddard -videnskabsmand Fred Herrero, hvem forfølger forskningen i en emeritus -egenskab, at udvikle en miniaturiseret, lav masse, lav strøm, grafenbaseret detektor, der kunne måle mængden af ​​atomært ilt i den øvre atmosfære. Atomisk ilt i den øvre atmosfære dannes, når ultraviolet stråling fra solen bryder iltmolekylet (O2) fra hinanden. Det resulterende reaktive element er stærkt ætsende. Når satellitter flyver gennem den øvre atmosfære, kemikaliet rammer dem med cirka fem miles i sekundet. Påvirkningen ødelægger almindeligt anvendte rumfartøjsmaterialer, såsom Kapton.

Selvom forskere mener, at atomært ilt udgør 96 procent af den tynde atmosfære i en bane uden for jorden, Herrero er interesseret i at måle dens densitet og mere præcist bestemme dens rolle i at skabe atmosfærisk træk, som kan få rumfartøjer i kredsløb til at miste højden for tidligt og falde til jorden. "Vi kender stadig ikke atomelementernes indvirkning på rumfartøjer i at skabe en trækstyrke, "sagde han." Vi ved ikke, hvor meget momentum der overføres mellem atomet og rumfartøjet. Dette er vigtigt, fordi ingeniører skal forstå virkningen for at estimere et rumfartøjs levetid, og hvor lang tid det vil tage, før rumfartøjet genåbner Jordens atmosfære. "

Forskning har vist, at grafenbaserede sensorer tilbyder en god løsning, Sagde Sultana. Når grafen absorberer atomært ilt, det oxiderer, producere en ændring i materialets elektriske modstand, som en grafenbaseret sensor derefter hurtigt kunne tælle for at producere en mere præcis tæthedsmåling. "Jeg er virkelig begejstret for materialets muligheder, "Sagde Herrero, tilføjelse af, at grafen i høj grad ville forenkle de trin, der er nødvendige for at måle atomært ilt. "Vi ville tælle, hvor ofte modstanden ændrer sig."

Atomisk ilt er ikke det eneste element, den kemiske sensor kunne måle, Sagde Sultana. Hun mener også, at det er ideelt til måling af metan, carbonmonoxid, og andre gasser på andre planetariske kroppe og overvågning af udgasning, der undertiden forurener instrumentoptik. Hun planlægger at fremstille og teste den første generation af grafenbaserede kemiske sensorer inden udgangen af ​​regnskabsåret, hun sagde. "Dette er på et meget tidligt stadium, "Tilføjede Sultana.

Stamdetektering

Graphens unikke egenskaber gør det også til en levedygtig kandidat til at detektere spændinger i rumfartøjskomponenter, hun sagde. Med sine samarbejdspartnere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT), holdet bruger støtte fra NASAs kontor for chefteknologen til at fremme en lille sensor, der kan være indlejret i rumfartøjsmaterialer, herunder kompositter. Hvis materialet blev udsat for en form for stress, de små sensorer ville opdage det.

Holdet har brugt CVD til at fremstille og teste et stort stykke grafen, hvis elektriske egenskaber er følsomme over for detektering af spændinger, Sagde Sultana. Hendes MIT -samarbejdspartnere fremstiller nu grafen -enheder, og hendes team får dem til at aflæse målinger - ligesom de medicinske elektroder, der blev brugt til visse medicinske tests. Imidlertid, Sultana planlægger at fjerne ledningerne, så den fungerer autonomt, hun sagde.

"Dette kunne implementeres på en ikke-invasiv måde, "Sagde Stewart." Lige nu, vi bruger relativt store enheder til at registrere skader eller potentielle fejlkilder, men med autonome grafenbaserede sensorer er vores håb, at vi kunne putte dem i selve materialet. "

"Vi kan anvende en anden kombination af dets ekstreme egenskaber og bruge det samme materiale til forskellige registreringsapplikationer, "Tilføjede Sultana." Det er det skønne ved grafen. "