Små sensorer – gjorda av ett potentiellt banbrytande material som bara är en atom tjockt och utropade som det "näst bästa" sedan kislets uppfinning – utvecklas nu för att upptäcka spårelement i jordens övre atmosfär och strukturella brister i rymdfarkoster.

Teknolog Mahmooda Sultana, som gick med i NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Md., för två år sedan och har sedan dess vuxit fram som Goddards go-to-expert inom utvecklingen av grafenbaserad teknologi, har utökat sin portfölj till att omfatta två nya forsknings- och utvecklingsinsatser som syftar till att skapa detektorer i nanostorlek som kan detektera atomärt syre och andra spårämnen i den övre atmosfären och strukturella påfrestningar i allt från flygplansvingar till rymdfarkostbussar.

"Det coola med grafen är dess egenskaper, " sa Jeff Stewart, tillförordnad biträdande teknikchef för Goddards Mechanical Systems Division. "Det erbjuder en uppsjö av möjligheter. Ärligt talat, vi har precis börjat."

grafen, upptäcktes först 2004 av de ryskfödda forskarna Andre Geim och Konstantin Novoselov, är bara en atom tjock och består av kolatomer arrangerade i hårt bundna hexagoner som bäst visualiseras som kycklingnät i atomär skala. Tvåhundra gånger starkare än konstruktionsstål, det är inte bara det starkaste materialet som någonsin uppmätts, men också den mest känsliga och stabila vid extrema temperaturer, vilket gör den idealisk för alla typer av användningsområden. Sedan upptäckten, hundratals organisationer världen över har inlett forskningsinsatser för att dra nytta av materialets unika egenskaper.

Goddard är en i den växande kontingenten.

För mer än ett år sedan, Sultana och hennes team vann forsknings- och utvecklingsfinansiering för att sätta upp produktionsanläggningar och finjustera bearbetningstekniker för att tillverka grafen med en teknik som kallas kemisk ångdeposition (CVD), en teknik som också används vid tillverkning av datorchips. Med detta tillvägagångssätt, Tekniker placerar ett metallsubstrat inuti en vakuumkammare och injicerar gaser som sedan reagerar eller sönderdelas för att producera den önskade tunna filmen.

Sedan dess, koncernen har lyckats med att tillverka och bearbeta relativt stora, högkvalitativa bitar av grafen, och är nu redo att använda sin expertis för att främja andra applikationer. "En av de mest lovande tillämpningarna av detta material är som en kemisk sensor, sa Sultana.

Kemiska sensorer

Hon har samarbetat med den pensionerade Goddard-forskaren Fred Herrero, som bedriver forskningen emeritus, att utveckla en miniatyriserad, låg massa, låg effekt, grafenbaserad detektor som kunde mäta mängden atomärt syre i den övre atmosfären. Atomiskt syre i den övre atmosfären skapas när ultraviolett strålning från solen bryter isär syremolekylen (O2). Det resulterande reaktiva elementet är mycket korrosivt. När satelliter flyger genom den övre atmosfären, kemikalien träffar dem med cirka fem miles per sekund. Nedslagen förstör vanligt använda rymdfarkostmaterial, såsom Kapton.

Även om forskare tror att atomärt syre utgör 96 procent av den tunna atmosfären i låg omloppsbana om jorden, Herrero är intresserad av att mäta dess densitet och mer exakt bestämma dess roll för att skapa luftmotstånd, vilket kan få kretsande rymdfarkoster att förlora höjd i förtid och störta till jorden. "Vi vet fortfarande inte hur atomiska element påverkar rymdskepp när det skapar en dragkraft, " sa han. "Vi vet inte hur mycket fart som överförs mellan atomen och rymdfarkosten. Detta är viktigt eftersom ingenjörer behöver förstå effekten för att uppskatta livslängden för en rymdfarkost och hur lång tid det kommer att ta innan rymdfarkosten kommer in i jordens atmosfär igen."

Forskning har visat att grafenbaserade sensorer erbjuder en bra lösning, sa Sultana. När grafen absorberar atomärt syre, det oxiderar, producera en förändring i materialets elektriska motstånd som en grafenbaserad sensor sedan snabbt kunde räkna för att producera en mer exakt densitetsmätning. "Jag är verkligen exalterad över det här materialets möjligheter, Herrero sa, lägga till att grafen avsevärt skulle förenkla stegen som behövs för att mäta atomärt syre. "Vi skulle räkna hur ofta motståndet ändras."

Atomiskt syre är inte det enda elementet som den kemiska sensorn kan mäta, sa Sultana. Hon tror också att det är idealiskt för att mäta metan, kolmonoxid, och andra gaser på andra planetariska kroppar och övervakning av avgasning som ibland förorenar instrumentoptik. Hon planerar att tillverka och testa den första generationen grafenbaserade kemiska sensorer i slutet av räkenskapsåret, Hon sa. "Detta är i ett mycket tidigt skede, ", tillade Sultana.

Stamdetektion

Grafens unika egenskaper gör det också till en hållbar kandidat för att upptäcka spänningar i rymdskeppskomponenter, Hon sa. Med sina medarbetare vid Massachusetts Institute of Technology (MIT), teamet använder stöd från NASA:s kontor för chefstekniker för att utveckla en liten sensor som kan bäddas in i rymdfarkostmaterial, inklusive kompositer. Om materialet genomgick någon typ av stress, de små sensorerna skulle upptäcka det.

Teamet har använt CVD för att tillverka och testa en stor bit grafen, vars elektriska egenskaper är känsliga för att upptäcka spänningar, sa Sultana. Hennes MIT-medarbetare tillverkar nu grafenenheter och hennes team kopplar in dem för att läsa ut mätningar - ungefär som de medicinska elektroderna som används för vissa medicinska tester. Dock, Sultana planerar att eliminera ledningarna så att de fungerar autonomt, Hon sa.

"Detta kan distribueras på ett icke-invasivt sätt, " sa Stewart. "Just nu, vi använder relativt stora enheter för att upptäcka skador eller potentiella felkällor, men med autonoma grafenbaserade sensorer är vår förhoppning att vi skulle kunna lägga in dem i själva materialet."

"Vi kan använda en annan kombination av dess extrema egenskaper och använda samma material för olika avkänningsapplikationer, ", tillade Sultana. "Det är skönheten med grafen."