Kleine sensoren - gemaakt van een potentieel baanbrekend materiaal van slechts één atoom dik en aangekondigd als het "op één na beste ding" sinds de uitvinding van silicium - worden nu ontwikkeld om sporenelementen in de bovenste atmosfeer van de aarde en structurele gebreken in ruimtevaartuigen te detecteren.

Technoloog Mahmooda Sultana, die lid werd van NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, MD, twee jaar geleden en is sindsdien uitgegroeid tot Goddard's go-to-expert in de ontwikkeling van op grafeen gebaseerde technologie, heeft haar portfolio uitgebreid met twee nieuwe onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen gericht op het maken van detectoren van nanoformaat die atomaire zuurstof en andere sporenelementen in de bovenste atmosfeer en structurele spanningen in alles van vliegtuigvleugels tot ruimtevaartuigbussen kunnen detecteren.

"Het leuke van grafeen zijn de eigenschappen, " zei Jeff Stewart, de waarnemend assistent-chef voor technologie voor Goddard's Mechanical Systems Division. "Het biedt een overvloed aan mogelijkheden. Eerlijk gezegd, we zijn net begonnen."

grafeen, voor het eerst ontdekt in 2004 door de in Rusland geboren wetenschappers Andre Geim en Konstantin Novoselov, is slechts één atoom dik en samengesteld uit koolstofatomen die zijn gerangschikt in nauw verbonden zeshoeken die het best kunnen worden gevisualiseerd als kippengaas op atomaire schaal. Tweehonderd keer sterker dan constructiestaal, het is niet alleen het sterkste materiaal dat ooit is gemeten, maar ook het meest gevoelig en stabiel bij extreme temperaturen, waardoor het ideaal is voor alle soorten gebruik. Sinds zijn ontdekking, honderden organisaties over de hele wereld hebben onderzoeksinspanningen gelanceerd om te profiteren van de unieke eigenschappen van het materiaal.

Goddard is een in het groeiende contingent.

Meer dan een jaar geleden, Sultana en haar team wonnen onderzoeks- en ontwikkelingsfinanciering voor het opzetten van productiefaciliteiten en het verfijnen van verwerkingstechnieken voor het vervaardigen van grafeen met behulp van een techniek die chemische dampafzetting (CVD) wordt genoemd. een techniek die ook wordt gebruikt bij het maken van computerchips. Met deze aanpak, technici plaatsen een metalen substraat in een vacuümkamer en injecteren gassen die vervolgens reageren of ontleden om de gewenste dunne film te produceren.

Vanaf dat moment, de groep is erin geslaagd om relatief grote, hoogwaardige stukjes grafeen, en is nu klaar om zijn expertise toe te passen om andere toepassingen vooruit te helpen. "Een van de meest veelbelovende toepassingen van dit materiaal is als chemische sensor, ' zei Sultana.

Chemische sensoren

Ze werkt samen met gepensioneerde Goddard-wetenschapper Fred Herrero, die het onderzoek emeritus uitvoert, het ontwikkelen van een geminiaturiseerde, lage massa, laag vermogen, op grafeen gebaseerde detector die de hoeveelheid atomaire zuurstof in de bovenste atmosfeer zou kunnen meten. Atoomzuurstof in de bovenste atmosfeer ontstaat wanneer ultraviolette straling van de zon het zuurstofmolecuul (O2) afbreekt. Het resulterende reactieve element is zeer corrosief. Terwijl satellieten door de bovenste atmosfeer vliegen, de chemische stof treft ze met ongeveer vijf mijl per seconde. De inslagen vernietigen veelgebruikte materialen voor ruimtevaartuigen, zoals Kapton.

Hoewel wetenschappers geloven dat atomaire zuurstof 96 procent uitmaakt van de dunne atmosfeer in een lage baan om de aarde, Herrero is geïnteresseerd in het meten van de dichtheid en het nauwkeuriger bepalen van zijn rol bij het creëren van atmosferische weerstand, waardoor ruimtevaartuigen in een baan om de aarde voortijdig hoogte verliezen en naar de aarde storten. "We weten nog steeds niet de impact van atomaire elementen op ruimtevaartuigen bij het creëren van een sleepkracht, " zei hij. "We weten niet hoeveel momentum wordt overgedragen tussen het atoom en het ruimtevaartuig. Dit is belangrijk omdat ingenieurs de impact moeten begrijpen om de levensduur van een ruimtevaartuig in te schatten en hoe lang het zal duren voordat het ruimtevaartuig weer in de atmosfeer van de aarde komt."

Onderzoek heeft aangetoond dat op grafeen gebaseerde sensoren een goede oplossing bieden, zei Sultana. Wanneer grafeen atomaire zuurstof absorbeert, het oxideert, het produceren van een verandering in de elektrische weerstand van het materiaal die een op grafeen gebaseerde sensor dan snel zou kunnen tellen om een ​​nauwkeurigere dichtheidsmeting te produceren. "Ik ben erg enthousiast over de mogelijkheden van dit materiaal, "Herrero zei, eraan toevoegend dat grafeen de stappen die nodig zijn om atomaire zuurstof te meten aanzienlijk zou vereenvoudigen. "We zouden tellen hoe vaak de weerstand verandert."

Atoomzuurstof is niet het enige element dat de chemische sensor kan meten, zei Sultana. Ze gelooft ook dat het ideaal is voor het meten van methaan, koolmonoxide, en andere gassen op andere planetaire lichamen en het bewaken van uitgassen die soms de optica van instrumenten vervuilen. Ze is van plan om tegen het einde van het fiscale jaar de eerste generatie van op grafeen gebaseerde chemische sensoren te fabriceren en te testen. ze zei. "Dit is in een zeer vroeg stadium, ’ voegde Sultana toe.

Stamdetectie:

De unieke eigenschappen van grafeen maken het ook een levensvatbare kandidaat voor het detecteren van spanningen in ruimtevaartuigcomponenten, ze zei. Met haar medewerkers aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT), het team gebruikt de steun van NASA's Office of the Chief Technologist om een ​​kleine sensor te ontwikkelen die kan worden ingebed in ruimtevaartuigmaterialen, inclusief composieten. Als het materiaal enige vorm van spanning heeft ondergaan, de kleine sensoren zouden het detecteren.

Het team heeft CVD gebruikt om een ​​groot stuk grafeen te vervaardigen en te testen, waarvan de elektrische eigenschappen gevoelig zijn voor het detecteren van spanningen, zei Sultana. Haar MIT-medewerkers fabriceren nu grafeenapparaten en haar team bedraden ze om metingen uit te lezen, net zoals de medische elektroden die voor bepaalde medische tests worden gebruikt. Echter, Sultana is van plan om de bedrading weg te werken zodat deze autonoom kan werken. ze zei.

"Dit kan op een niet-invasieve manier worden ingezet, ' zei Stewart. 'Op dit moment, we gebruiken relatief grote apparaten om schade of mogelijke storingsbronnen op te sporen, maar met autonome op grafeen gebaseerde sensoren hopen we dat we ze in het materiaal zelf kunnen stoppen."

"We kunnen een andere combinatie van zijn extreme eigenschappen gebruiken en hetzelfde materiaal gebruiken voor verschillende detectietoepassingen, " voegde Sultana toe. "Dat is het mooie van grafeen."