NASA-ingeniør opnår endnu en milepæl inden for spirende nanoteknologi (m/ video)

En NASA-ingeniør har opnået endnu en milepæl i sin søgen efter at fremme en ny supersort nanoteknologi, der lover at gøre rumfartøjsinstrumenter mere følsomme uden at forstørre deres størrelse.

Et hold ledet af John Hagopian, en optikingeniør ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Md., har vist, at den kan dyrke et ensartet lag af kulstof-nanorør ved brug af en anden ny teknologi kaldet atomic layer deposition eller ALD. Ægteskabet mellem de to teknologier betyder nu, at NASA kan dyrke nanorør på tredimensionelle komponenter, såsom komplekse bafler og rør, der almindeligvis anvendes i optiske instrumenter.

"Betydningen af ​​dette er, at vi har nye værktøjer, der kan gøre NASA-instrumenter mere følsomme uden at gøre vores teleskoper større og større, " sagde Hagopian. "Dette demonstrerer kraften i nanoskalateknologi, hvilket er særligt anvendeligt til en ny klasse af mindre dyre bittesmå satellitter kaldet Cubesats, som NASA udvikler for at reducere omkostningerne ved rummissioner."

Siden han startede sin forsknings- og udviklingsindsats for fem år siden, Hagopian og hans team har gjort betydelige fremskridt med at anvende kulstof-nanorør-teknologien til en række rumflyvningsapplikationer, inklusive, blandt andet, undertrykkelsen af ​​strølys, der kan overvælde svage signaler, som følsomme detektorer formodes at hente.

Super sugeevne

Under forskningen, Hagopian tunede det nano-baserede supersorte materiale, gør den ideel til denne applikation, absorberer i gennemsnit mere end 99 procent af det ultraviolette lys, synlig, infrarødt og langt infrarødt lys, der rammer det - en aldrig før opnået milepæl, der nu lover at åbne nye grænser inden for videnskabelig opdagelse. Materialet består af en tynd belægning af flervæggede kulstofnanorør ca. 000 gange tyndere end et hårstrå.

Engang en laboratorienyhed, der kun blev dyrket på silicium, NASA-holdet dyrker nu disse skove af lodrette kulstofrør på almindeligt brugte rumfartøjsmaterialer, såsom titanium, kobber og rustfrit stål. Små mellemrum mellem rørene samler og fanger lys, mens kulstoffet absorberer fotonerne, forhindrer dem i at reflektere fra overflader. Fordi kun en lille del af lyset reflekteres fra belægningen, det menneskelige øje og følsomme detektorer ser materialet som sort.

Før man dyrker denne skov af nanorør på instrumentdele, imidlertid, materialeforskere skal først afsætte et meget ensartet fundament eller katalysatorlag af jernoxid, der understøtter nanorørets vækst. For ALD, teknikere gør dette ved at placere en komponent eller et andet substratmateriale inde i et reaktorkammer og sekventielt pulsere forskellige typer gasser for at skabe en ultratynd film, hvis lag bogstaveligt talt ikke er tykkere end et enkelt atom. Når først er påført, videnskabsmænd er så klar til faktisk at dyrke kulstofnanorørene. De placerer komponenten i en anden ovn og opvarmer delen til ca. 832 F (750 C). Mens den varmer, komponenten er badet i kulstofholdig råmaterialegas.

"De prøver, vi har dyrket til dato, er flade i formen, " Forklarede Hagopian. "Men givet de komplekse former af nogle instrumentkomponenter, vi ønskede at finde en måde at dyrke kulstof nanorør på tredimensionelle dele, som rør og bafler. Den svære del er at lægge et ensartet katalysatorlag. Det er derfor, vi så på atomlagsaflejring i stedet for andre teknikker, som kun kan påføre dækning på samme måde, som du ville sprøjte noget med maling fra en fast vinkel."

ALD til undsætning

ALD, først beskrevet i 1980'erne og senere overtaget af halvlederindustrien, er en af ​​mange teknikker til påføring af tynde film. Imidlertid, ALD giver en fordel i forhold til konkurrerende teknikker. Teknikere kan nøjagtigt kontrollere tykkelsen og sammensætningen af ​​de aflejrede film, selv dybt inde i porer og hulrum. Dette giver ALD den unikke evne til at belægge i og omkring 3D-objekter.

NASA Goddard medforsker Vivek Dwivedi, gennem et partnerskab med University of Maryland i College Park, fremmer nu ALD-reaktorteknologi, der er tilpasset til rumflyvningsapplikationer.

For at bestemme levedygtigheden af ​​at bruge ALD til at skabe katalysatorlaget, mens Dwivedi byggede sin nye ALD-reaktor, Hagopian engagerede gennem Science Exchange tjenesterne fra Melbourne Center for Nanofabrication (MCN), Australiens største forskningscenter for nanofabrikation. Science Exchange er en online-fællesskabsmarkedsplads, hvor videnskabelige tjenesteudbydere kan tilbyde deres tjenester. NASA-holdet leverede en række komponenter, herunder en indviklet formet okkulter brugt i et nyt NASA-udviklet instrument til at observere planeter omkring andre stjerner.

Gennem dette samarbejde det australske hold finjusterede opskriften på nedlægning af katalysatorlaget – med andre ord, de præcise instruktioner, der beskriver typen af ​​precursorgas, reaktortemperaturen og det nødvendige tryk for at afsætte et ensartet fundament. "De jernfilm, som vi først afsatte, var ikke så ensartede som andre belægninger, vi har arbejdet med, så vi havde brug for en metodisk udviklingsproces for at opnå de resultater, som NASA havde brug for til det næste trin, " sagde Lachlan Hyde, MCN's ekspert i ALD.

Det lykkedes for det australske hold, sagde Hagopian. "Vi har med succes dyrket kulstof-nanorør på de prøver, vi har leveret til MCN, og de viser egenskaber, der ligner meget dem, vi har dyrket ved hjælp af andre teknikker til påføring af katalysatorlaget. Dette har virkelig åbnet mulighederne for os. Vores mål om i sidste ende at anvende en kulstof-nanorør-belægning til komplekse instrumentdele er næsten realiseret."