Minuscoli sensori, realizzati con un materiale potenzialmente pionieristico dello spessore di un solo atomo e annunciato come la "prossima cosa migliore" dall'invenzione del silicio, sono ora in fase di sviluppo per rilevare elementi in traccia nell'atmosfera superiore della Terra e difetti strutturali nei veicoli spaziali.

Tecnologo Mahmooda Sultana, che si è unito al Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Md., due anni fa e da allora è emerso come l'esperto di riferimento di Goddard nello sviluppo della tecnologia basata sul grafene, ha ampliato il suo portafoglio per includere due nuovi sforzi di ricerca e sviluppo volti a creare rivelatori di dimensioni nanometriche in grado di rilevare l'ossigeno atomico e altri elementi in traccia nell'alta atmosfera e ceppi strutturali in qualsiasi cosa, dalle ali degli aeroplani agli autobus dei veicoli spaziali.

"La cosa bella del grafene sono le sue proprietà, " ha detto Jeff Stewart, l'assistente capo addetto alla tecnologia per la divisione dei sistemi meccanici di Goddard. "Offre una pletora di possibilità. Francamente, siamo solo all'inizio".

Grafene, scoperto per la prima volta nel 2004 dagli scienziati di origine russa Andre Geim e Konstantin Novoselov, è spesso solo un atomo e composto da atomi di carbonio disposti in esagoni strettamente legati, meglio visualizzati come un filo di pollo su scala atomica. Duecento volte più resistente dell'acciaio strutturale, non solo è il materiale più resistente mai misurato, ma anche il più sensibile e stabile a temperature estreme, rendendolo ideale per tutti i tipi di utilizzo. Dalla sua scoperta, centinaia di organizzazioni in tutto il mondo hanno avviato sforzi di ricerca per sfruttare le proprietà uniche del materiale.

Goddard è uno nel contingente in crescita.

Più di un anno fa, Sultana e il suo team hanno vinto finanziamenti per la ricerca e lo sviluppo per creare impianti di produzione e mettere a punto le tecniche di lavorazione per la fabbricazione del grafene utilizzando una tecnica chiamata deposizione chimica da vapore (CVD), una tecnica utilizzata anche nella produzione di chip per computer. Con questo approccio, i tecnici posizionano un substrato metallico all'interno di una camera a vuoto e iniettano gas che poi reagiscono o si decompongono per produrre il film sottile desiderato.

Da allora, il gruppo è riuscito a produrre e trasformare relativamente grandi, pezzi di grafene di alta qualità, ed è ora pronto ad applicare la sua esperienza per far avanzare altre applicazioni. "Una delle applicazioni più promettenti di questo materiale è come sensore chimico, " ha detto Sultana.

Sensori chimici

Ha collaborato con lo scienziato Goddard in pensione Fred Herrero, chi sta portando avanti la ricerca a titolo emerito, per sviluppare un miniaturizzato, a bassa massa, a bassa potenza, rivelatore a base di grafene in grado di misurare la quantità di ossigeno atomico nell'alta atmosfera. L'ossigeno atomico nell'alta atmosfera viene creato quando la radiazione ultravioletta del sole rompe la molecola di ossigeno (O2). L'elemento reattivo risultante è altamente corrosivo. Mentre i satelliti volano attraverso l'alta atmosfera, la sostanza chimica li colpisce a circa cinque miglia al secondo. Gli impatti distruggono i materiali dei veicoli spaziali comunemente usati, come Kapton.

Sebbene gli scienziati credano che l'ossigeno atomico costituisca il 96 percento della sottile atmosfera nell'orbita terrestre bassa, Herrero è interessato a misurare la sua densità e determinare più precisamente il suo ruolo nella creazione di resistenza atmosferica, che può causare la perdita di quota prematura del veicolo spaziale in orbita e il precipitare sulla Terra. "Ancora non conosciamo l'impatto degli elementi atomici sui veicoli spaziali nel creare una forza di resistenza, " ha detto. "Non sappiamo quanta quantità di moto viene trasferita tra l'atomo e la navicella spaziale. Questo è importante perché gli ingegneri devono capire l'impatto per stimare la vita di un veicolo spaziale e quanto tempo ci vorrà prima che il veicolo spaziale rientri nell'atmosfera terrestre".

La ricerca ha dimostrato che i sensori a base di grafene offrono una buona soluzione, ha detto Sultana. Quando il grafene assorbe l'ossigeno atomico, si ossida, producendo un cambiamento nella resistenza elettrica del materiale che un sensore a base di grafene potrebbe quindi contare rapidamente per produrre una misurazione della densità più accurata. "Sono davvero entusiasta delle possibilità di questo materiale, "Herrero ha detto, aggiungendo che il grafene semplificherebbe notevolmente i passaggi necessari per misurare l'ossigeno atomico. "Conteremmo quante volte cambia la resistenza".

L'ossigeno atomico non è l'unico elemento che il sensore chimico può misurare, ha detto Sultana. Crede anche che sia l'ideale per misurare il metano, monossido di carbonio, e altri gas su altri corpi planetari e monitorando il degassamento che a volte contamina l'ottica dello strumento. Ha in programma di fabbricare e testare la prima generazione di sensori chimici a base di grafene entro la fine dell'anno fiscale, lei disse. "Questo è in una fase molto precoce, " Aggiunse Sultana.

Rilevamento della deformazione

Gli attributi unici del grafene lo rendono anche un valido candidato per rilevare le sollecitazioni nei componenti dei veicoli spaziali, lei disse. Con i suoi collaboratori al Massachusetts Institute of Technology (MIT), il team sta usando il supporto dell'Office of the Chief Technologist della NASA per far avanzare un piccolo sensore che potrebbe essere incorporato nei materiali dei veicoli spaziali, compresi i compositi. Se il materiale ha subito qualche tipo di stress, i minuscoli sensori lo rileverebbero.

Il team ha utilizzato CVD per produrre e testare un grosso pezzo di grafene, le cui proprietà elettriche sono sensibili al rilevamento delle sollecitazioni, ha detto Sultana. I suoi collaboratori del MIT ora stanno fabbricando dispositivi al grafene e il suo team li sta cablando per leggere le misurazioni, proprio come gli elettrodi medici utilizzati per alcuni test medici. Però, Sultana prevede di eliminare il cablaggio in modo che funzioni in modo autonomo, lei disse.

"Questo potrebbe essere distribuito in modo non invasivo, " Stewart ha detto. "In questo momento, utilizziamo dispositivi relativamente grandi per rilevare danni o potenziali fonti di guasto, ma con sensori autonomi basati sul grafene la nostra speranza è di poterli inserire nel materiale stesso".

"Possiamo impiegare una diversa combinazione delle sue proprietà estreme e utilizzare lo stesso materiale per diverse applicazioni di rilevamento, " ha aggiunto Sultana. "Questa è la bellezza del grafene".