En NASA-ingenjör har uppnått ännu en milstolpe i sin strävan att främja en framväxande supersvart nanoteknik som lovar att göra rymdfarkostinstrument känsligare utan att förstora deras storlek.

Ett team ledd av John Hagopian, en optikingenjör vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Md., har visat att den kan odla ett enhetligt lager av kolnanorör genom användning av en annan framväxande teknologi som kallas atomlagerdeposition eller ALD. Äktenskapet mellan de två teknologierna innebär nu att NASA kan odla nanorör på tredimensionella komponenter, såsom komplexa bafflar och rör som vanligtvis används i optiska instrument.

"Betydningen av detta är att vi har nya verktyg som kan göra NASA-instrument känsligare utan att göra våra teleskop större och större, ", sa Hagopian. "Detta visar kraften i nanoskalateknologi, vilket är särskilt tillämpligt på en ny klass av mindre dyra små satelliter som heter Cubesats som NASA utvecklar för att minska kostnaderna för rymduppdrag."

Sedan han började sin forsknings- och utvecklingssatsning för fem år sedan, Hagopian och hans team har gjort betydande framsteg när det gäller att tillämpa kol-nanorörstekniken på ett antal rymdfärdstillämpningar, Inklusive, bland annat, dämpningen av ströljus som kan överväldiga svaga signaler som känsliga detektorer ska hämta.

Superabsorberande förmåga

Under forskningen, Hagopian trimmade det nanobaserade supersvarta materialet, vilket gör den idealisk för denna applikation, absorberar i genomsnitt mer än 99 procent av ultraviolett ljus, synlig, infrarött och långt infrarött ljus som träffar den – en milstolpe som aldrig tidigare uppnåtts som nu lovar att öppna nya gränser för vetenskapliga upptäckter. Materialet består av en tunn beläggning av flerväggiga kolnanorör ca 10, 000 gånger tunnare än ett hårstrå.

En gång en laboratorienyhet som endast odlades på kisel, NASA-teamet odlar nu dessa skogar av vertikala kolrör på vanligt använda rymdfarkostmaterial, som titan, koppar och rostfritt stål. Små mellanrum mellan rören samlar in och fångar ljus, medan kolet absorberar fotonerna, förhindrar att de reflekteras från ytor. Eftersom endast en liten del av ljuset reflekteras från beläggningen, det mänskliga ögat och känsliga detektorer ser materialet som svart.

Innan man odlar denna skog av nanorör på instrumentdelar, dock, materialforskare måste först deponera en mycket enhetlig grund eller katalysatorlager av järnoxid som stödjer tillväxten av nanoröret. För ALD, Tekniker gör detta genom att placera en komponent eller något annat substratmaterial inuti en reaktorkammare och sekventiellt pulsa olika typer av gaser för att skapa en ultratunn film vars lager bokstavligen inte är tjockare än en enda atom. När ansökt, forskare är då redo att faktiskt odla kolnanorören. De placerar komponenten i en annan ugn och värmer delen till ca 1, 832 F (750 C). Medan den värmer, komponenten badas i kolinnehållande råmaterialgas.

"De prover vi har odlat hittills har platt form, ", förklarade Hagopian. "Men med tanke på de komplexa formerna hos vissa instrumentkomponenter, vi ville hitta ett sätt att odla kolnanorör på tredimensionella delar, som rör och bafflar. Den svåra delen är att lägga ner ett enhetligt katalysatorskikt. Det är därför vi tittade på atomskiktsavsättning istället för andra tekniker, som bara kan applicera täckning på samma sätt som du skulle spraya något med färg från en fast vinkel."

ALD till räddningen

ALD, beskrevs först på 1980-talet och senare antogs av halvledarindustrin, är en av många tekniker för att applicera tunna filmer. Dock, ALD erbjuder en fördel gentemot konkurrerande tekniker. Tekniker kan noggrant kontrollera tjockleken och sammansättningen av de avsatta filmerna, även djupt inne i porer och håligheter. Detta ger ALD den unika förmågan att belägga i och runt 3D-objekt.

NASA Goddards medutredare Vivek Dwivedi, genom ett partnerskap med University of Maryland at College Park, utvecklar nu ALD-reaktorteknik anpassad för rymdfärdstillämpningar.

För att bestämma lönsamheten av att använda ALD för att skapa katalysatorskiktet, medan Dwivedi byggde sin nya ALD-reaktor, Hagopian anlitade genom Science Exchange tjänsterna från Melbourne Center for Nanofabrication (MCN), Australiens största forskningscenter för nanotillverkning. Science Exchange är en onlinemarknadsplats där vetenskapliga tjänsteleverantörer kan erbjuda sina tjänster. NASA-teamet levererade ett antal komponenter, inklusive en intrikat formad ockulter som används i ett nytt NASA-utvecklat instrument för att observera planeter runt andra stjärnor.

Genom detta samarbete det australiensiska laget finjusterade receptet för att lägga ner katalysatorskiktet – med andra ord, de exakta instruktionerna som beskriver typen av prekursorgas, reaktortemperaturen och -trycket som behövs för att avsätta en enhetlig grund. "Järnfilmerna som vi deponerade från början var inte lika enhetliga som andra beläggningar vi har arbetat med, så vi behövde en metodisk utvecklingsprocess för att uppnå de resultat som NASA behövde för nästa steg, sa Lachlan Hyde, MCN:s expert på ALD.

Det australiensiska laget lyckades, sa Hagopian. "Vi har framgångsrikt odlat kolnanorör på proverna vi tillhandahållit MCN och de visar egenskaper som är mycket likna de vi har odlat med andra tekniker för att applicera katalysatorskiktet. Detta har verkligen öppnat upp möjligheterna för oss. Vårt mål att i slutändan applicera en kol-nanorörbeläggning på komplexa instrumentdelar är nästan realiserad."