Een NASA-ingenieur heeft weer een mijlpaal bereikt in zijn zoektocht naar een opkomende superzwarte nanotechnologie die belooft ruimtevaartuiginstrumenten gevoeliger te maken zonder hun afmetingen te vergroten.

Een team onder leiding van John Hagopian, een optica-ingenieur bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, MD, heeft aangetoond dat het een uniforme laag koolstofnanobuisjes kan laten groeien door het gebruik van een andere opkomende technologie die atomaire laagafzetting of ALD wordt genoemd. Het huwelijk van de twee technologieën betekent nu dat NASA nanobuisjes kan laten groeien op driedimensionale componenten, zoals complexe schotten en buizen die vaak worden gebruikt in optische instrumenten.

"Het belang hiervan is dat we nieuwe instrumenten hebben die NASA-instrumenten gevoeliger kunnen maken zonder onze telescopen groter en groter te maken. Hagopian zei. "Dit demonstreert de kracht van technologie op nanoschaal, die met name van toepassing is op een nieuwe klasse van goedkopere kleine satellieten, Cubesats genaamd, die NASA ontwikkelt om de kosten van ruimtemissies te verlagen."

Sinds hij vijf jaar geleden met zijn onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen begon, Hagopian en zijn team hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt door de koolstof-nanobuistechnologie toe te passen op een aantal ruimtevaarttoepassingen, inclusief, onder andere, de onderdrukking van strooilicht dat zwakke signalen kan overweldigen die gevoelige detectoren zouden moeten opvangen.

Super absorptievermogen

Tijdens het onderzoek, Hagopian heeft het op nano gebaseerde superzwarte materiaal afgestemd, waardoor het ideaal is voor deze toepassing, absorberen gemiddeld meer dan 99 procent van het ultraviolet, zichtbaar, infrarood en ver-infrarood licht dat erop valt - een nooit eerder bereikte mijlpaal die nu nieuwe grenzen belooft in wetenschappelijke ontdekkingen. Het materiaal bestaat uit een dunne coating van meerwandige koolstofnanobuisjes van ongeveer 10, 000 keer dunner dan een lok mensenhaar.

Ooit een nieuwigheid in het laboratorium die alleen op silicium werd gekweekt, het NASA-team kweekt nu deze bossen van verticale koolstofbuizen op veelgebruikte ruimtevaartuigmaterialen, zoals titaan, koper en roestvrij staal. Kleine openingen tussen de buizen verzamelen en vangen licht op, terwijl de koolstof de fotonen absorbeert, voorkomen dat ze weerkaatsen op oppervlakken. Omdat slechts een kleine fractie van het licht weerkaatst op de coating, het menselijk oog en gevoelige detectoren zien het materiaal als zwart.

Alvorens dit woud van nanobuisjes op instrumentonderdelen te laten groeien, echter, materiaalwetenschappers moeten eerst een zeer uniforme fundering of katalysatorlaag van ijzeroxide afzetten die de groei van nanobuisjes ondersteunt. Voor ALD, technici doen dit door een component of een ander substraatmateriaal in een reactorkamer te plaatsen en achtereenvolgens verschillende soorten gassen te pulseren om een ​​ultradunne film te creëren waarvan de lagen letterlijk niet dikker zijn dan een enkel atoom. Eenmaal toegepast, wetenschappers zijn dan klaar om de koolstofnanobuisjes daadwerkelijk te laten groeien. Ze plaatsen het onderdeel in een andere oven en verwarmen het onderdeel tot ongeveer 1, 832 F (750 C). Terwijl het verwarmt, de component wordt gebaad in koolstofhoudend uitgangsgas.

"De monsters die we tot nu toe hebben gekweekt, zijn plat van vorm, Hagopian legde uit. "Maar gezien de complexe vormen van sommige instrumentcomponenten, we wilden een manier vinden om koolstofnanobuisjes op driedimensionale onderdelen te laten groeien, zoals buizen en schotten. Het harde deel is het aanbrengen van een uniforme katalysatorlaag. Daarom hebben we gekeken naar afzetting van atomaire lagen in plaats van andere technieken. die alleen dekking kan aanbrengen op dezelfde manier waarop je iets met verf zou spuiten vanuit een vaste hoek."

ALD aan de redding

ALD, voor het eerst beschreven in de jaren tachtig en later overgenomen door de halfgeleiderindustrie, is een van de vele technieken voor het aanbrengen van dunne films. Echter, ALD biedt een voordeel ten opzichte van concurrerende technieken. Technici kunnen de dikte en samenstelling van de afgezette films nauwkeurig regelen, zelfs diep in de poriën en holtes. Dit geeft ALD de unieke mogelijkheid om in en rond 3D-objecten te coaten.

NASA Goddard mede-onderzoeker Vivek Dwivedi, via een samenwerking met de Universiteit van Maryland in College Park, maakt nu vorderingen met ALD-reactortechnologie die is aangepast voor ruimtevaarttoepassingen.

Om de levensvatbaarheid te bepalen van het gebruik van ALD om de katalysatorlaag te creëren, terwijl Dwivedi zijn nieuwe ALD-reactor aan het bouwen was, Hagopian schakelde via de Science Exchange de diensten in van het Melbourne Centre for Nanofabrication (MCN), Het grootste onderzoekscentrum voor nanofabricage van Australië. De Science Exchange is een online community marktplaats waar wetenschappelijke dienstverleners hun diensten kunnen aanbieden. Het NASA-team leverde een aantal componenten, inclusief een ingewikkeld gevormd occulter die wordt gebruikt in een nieuw door NASA ontwikkeld instrument voor het observeren van planeten rond andere sterren.

Door deze samenwerking, het Australische team verfijnde het recept voor het aanbrengen van de katalysatorlaag - met andere woorden, de precieze instructies waarin het type precursorgas wordt beschreven, de reactortemperatuur en -druk die nodig zijn om een ​​uniforme fundering af te zetten. "De ijzerfilms die we aanvankelijk afzetten waren niet zo uniform als andere coatings waarmee we hebben gewerkt, dus we hadden een methodisch ontwikkelingsproces nodig om de resultaten te bereiken die NASA nodig had voor de volgende stap, " zei Lachlan Hyde, MCN's expert in ALD.

Het Australische team slaagde, zei Hagopian. "We hebben met succes koolstofnanobuisjes gekweekt op de monsters die we aan MCN hebben geleverd en ze vertonen eigenschappen die sterk lijken op die welke we hebben gekweekt met behulp van andere technieken voor het aanbrengen van de katalysatorlaag. Dit heeft echt mogelijkheden voor ons geopend. Ons doel om uiteindelijk een koolstof-nanobuis-coating op complexe instrumentonderdelen is bijna gerealiseerd."