Huvudutredaren Mahmooda Sultana har samarbetat med Massachusetts Institute of Technology för att utveckla en kvantpunktsspektrometer för användning i rymden. På det här fotot, hon karakteriserar de optiska egenskaperna hos kvantpunktpixlarna. Kredit:NASA/W. Hrybyk
En NASA-teknolog har samarbetat med uppfinnaren av en ny nanoteknik som kan förändra hur rymdforskare bygger spektrometrar, den oerhört viktiga enheten som används av praktiskt taget alla vetenskapliga discipliner för att mäta egenskaperna hos ljus som kommer från astronomiska objekt, inklusive jorden själv.
Mahmooda Sultana, en forskningsingenjör vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, nu samarbetar med Moungi Bawendi, en kemiprofessor vid Cambridge-baserade Massachusetts Institute of Technology, eller MIT, att utveckla en prototyp avbildningsspektrometer baserad på den framväxande kvantprickteknologin som Bawendis grupp var pionjär.
NASA:s Center Innovation Fund, som stödjer potentiellt banbrytande, högriskteknologier, finansierar insatsen.
Vi introducerar Quantum Dots
Kvantprickar är en typ av halvledarnanokristall som upptäcktes i början av 1980-talet. Osynlig för blotta ögat, prickarna har i tester visat sig absorbera olika våglängder av ljus beroende på deras storlek, form, och kemisk sammansättning. Tekniken är lovande för applikationer som bygger på analys av ljus, inklusive smartphonekameror, medicinska apparater, och miljötestningsutrustning.
"Det här är hur nytt som helst, "Sultana sa, hänvisar till den teknik som hon tror kan miniatyrisera och potentiellt revolutionera rymdbaserade spektrometrar, särskilt de som används på obebodda flygfarkoster och små satelliter. "Det kan verkligen förenkla instrumentintegration."
Absorptionsspektrometrar, som deras namn antyder, mäta absorptionen av ljus som en funktion av frekvens eller våglängd på grund av dess interaktion med ett prov, såsom atmosfäriska gaser.
Den här illustrationen visar hur en enhet skriver ut kvantpunktsfiltren som absorberar olika våglängder av ljus beroende på deras storlek och sammansättning. Den framväxande tekniken kan ge forskare en mer flexibel, kostnadseffektiv metod för att utveckla spektrometrar, ett vanligt använt instrument. Kredit:O'Reilly Science Art
Efter att ha passerat genom eller interagerat med provet, ljuset når spektrometern. Traditionella spektrometrar använder gitter, prismor, eller interferensfilter för att dela upp ljuset i dess komponentvåglängder, som deras detektorpixlar sedan detekterar för att producera spektra. Ju mer intensiv absorptionen är i spektra, desto större förekomst av en specifik kemikalie.
Medan rymdbaserade spektrometrar blir mindre på grund av miniatyrisering, de är fortfarande relativt stora, sa Sultana. "Högre spektral upplösning kräver långa optiska vägar för instrument som använder gitter och prismor. Detta resulterar ofta i stora instrument. med kvantprickar som fungerar som filter som absorberar olika våglängder beroende på deras storlek och form, vi kan göra ett ultrakompakt instrument. Med andra ord, du kan eliminera optiska delar, som galler, prismor, och störningsfilter."
Lika viktigt, tekniken tillåter instrumentutvecklaren att generera nästan ett obegränsat antal olika punkter. När deras storlek minskar, våglängden på ljuset som kvantprickarna kommer att absorbera minskar. "Detta gör det möjligt att producera en kontinuerligt avstämbar, ändå distinkt, uppsättning absorberande filter där varje pixel är gjord av en kvantpunkt av en viss storlek, form, eller sammansättning. Vi skulle ha exakt kontroll över vad varje prick absorberar. Vi kunde bokstavligen anpassa instrumentet för att observera många olika band med hög spektral upplösning."
Prototypinstrument under utveckling
Med sitt stöd för NASA-teknikutveckling, Sultana arbetar för att utveckla, kvalificera sig genom termiska vakuum- och vibrationstester, och demonstrera en 20 x 20 kvantprickar som är känslig för synliga våglängder som behövs för att avbilda solen och norrskenet. Dock, Tekniken kan enkelt utökas till att täcka ett bredare våglängdsområde, från ultraviolett till mellaninfrarött, som kan hitta många potentiella rymdtillämpningar inom geovetenskap, heliofysik, och planetvetenskap, Hon sa.
Under samarbetet, Sultana utvecklar ett instrumentkoncept speciellt för en CubeSat-applikation och MIT-doktoranden Jason Yoo undersöker tekniker för att syntetisera olika prekursorkemikalier för att skapa prickarna och sedan skriva ut dem på ett lämpligt substrat. "I sista hand, vi skulle vilja skriva ut prickarna direkt på detektorpixlarna, " Hon sa.
"Det här är en mycket innovativ teknik, " tillade Sultana, medger att det är mycket tidigt i sin utveckling. "Men vi försöker höja dess tekniska beredskapsnivå mycket snabbt. Flera rymdvetenskapliga möjligheter som skulle kunna gynnas är i pipelinen."
