Un ingegnere della NASA ha raggiunto un'altra pietra miliare nella sua ricerca per far progredire un'emergente nanotecnologia super-nera che promette di rendere gli strumenti dei veicoli spaziali più sensibili senza ingrandirne le dimensioni.

Un team guidato da John Hagopian, un ingegnere ottico presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Md., ha dimostrato che può crescere uno strato uniforme di nanotubi di carbonio attraverso l'uso di un'altra tecnologia emergente chiamata deposizione di strati atomici o ALD. Il matrimonio delle due tecnologie ora significa che la NASA può coltivare nanotubi su componenti tridimensionali, come deflettori complessi e tubi comunemente usati negli strumenti ottici.

"Il significato di questo è che abbiamo nuovi strumenti che possono rendere gli strumenti della NASA più sensibili senza rendere i nostri telescopi sempre più grandi, " Hagopian ha detto. "Questo dimostra la potenza della tecnologia su scala nanometrica, che è particolarmente applicabile a una nuova classe di minuscoli satelliti meno costosi chiamati Cubesats che la NASA sta sviluppando per ridurre il costo delle missioni spaziali".

Dall'inizio della sua attività di ricerca e sviluppo cinque anni fa, Hagopian e il suo team hanno compiuto progressi significativi applicando la tecnologia dei nanotubi di carbonio a una serie di applicazioni di volo spaziale, Compreso, tra l'altro, la soppressione della luce parassita che può sopraffare i deboli segnali che i rivelatori sensibili dovrebbero recuperare.

Super assorbenza

Durante la ricerca, Hagopian ha messo a punto il materiale super-nero a base nanometrica, rendendolo ideale per questa applicazione, assorbendo in media più del 99 percento dell'ultravioletto, visibile, infrarosso e lontano infrarosso che lo colpisce, una pietra miliare mai raggiunta prima che ora promette di aprire nuove frontiere nella scoperta scientifica. Il materiale è costituito da un sottile rivestimento di nanotubi di carbonio a parete multipla circa 10, 000 volte più sottile di una ciocca di capelli umani.

Una volta una novità di laboratorio coltivata solo su silicio, il team della NASA ora coltiva queste foreste di tubi di carbonio verticali su materiali di veicoli spaziali comunemente usati, come il titanio, rame e acciaio inossidabile. Piccoli spazi tra i tubi raccolgono e intrappolano la luce, mentre il carbonio assorbe i fotoni, impedendo loro di riflettersi sulle superfici. Poiché solo una piccola frazione di luce si riflette sul rivestimento, l'occhio umano e i rilevatori sensibili vedono il materiale come nero.

Prima di coltivare questa foresta di nanotubi su parti di strumenti, però, gli scienziati dei materiali devono prima depositare una base altamente uniforme o uno strato catalizzatore di ossido di ferro che supporti la crescita dei nanotubi. Per ALD, i tecnici lo fanno posizionando un componente o qualche altro materiale di substrato all'interno di una camera del reattore e pulsando in sequenza diversi tipi di gas per creare un film ultrasottile i cui strati non sono letteralmente più spessi di un singolo atomo. Una volta applicato, gli scienziati sono quindi pronti a coltivare effettivamente i nanotubi di carbonio. Mettono il componente in un altro forno e scaldano la parte a circa 1, 832 gradi Celsius (750 gradi Celsius). Mentre si riscalda, il componente è immerso in gas di alimentazione contenente carbonio.

"I campioni che abbiamo coltivato fino ad oggi sono di forma piatta, " ha spiegato Hagopian. "Ma date le forme complesse di alcuni componenti dello strumento, volevamo trovare un modo per far crescere nanotubi di carbonio su parti tridimensionali, come tubi e deflettori. La parte difficile è stabilire uno strato di catalizzatore uniforme. Ecco perché abbiamo cercato la deposizione di strati atomici invece di altre tecniche, che può solo applicare la copertura nello stesso modo in cui spruzzeresti qualcosa con la vernice da un'angolazione fissa."

ALD in soccorso

ALD, descritta per la prima volta negli anni '80 e successivamente adottata dall'industria dei semiconduttori, è una delle tante tecniche per l'applicazione di film sottili. Però, L'ALD offre un vantaggio rispetto alle tecniche concorrenti. I tecnici possono controllare accuratamente lo spessore e la composizione dei film depositati, anche in profondità nei pori e nelle cavità. Ciò conferisce ad ALD la capacità unica di rivestire all'interno e intorno a oggetti 3D.

Il co-investigatore della NASA Goddard Vivek Dwivedi, attraverso una partnership con l'Università del Maryland a College Park, sta ora facendo progredire la tecnologia dei reattori ALD personalizzati per le applicazioni di volo spaziale.

Per determinare la fattibilità dell'utilizzo di ALD per creare lo strato di catalizzatore, mentre Dwivedi stava costruendo il suo nuovo reattore ALD, Hagopian ha impegnato attraverso lo Science Exchange i servizi del Melbourne Centre for Nanofabrication (MCN), Il più grande centro di ricerca sulla nanofabbricazione d'Australia. The Science Exchange è un mercato di comunità online in cui i fornitori di servizi scientifici possono offrire i propri servizi. Il team della NASA ha consegnato una serie di componenti, incluso un occulter dalla forma complessa utilizzato in un nuovo strumento sviluppato dalla NASA per osservare i pianeti intorno ad altre stelle.

Attraverso questa collaborazione, il team australiano ha messo a punto la ricetta per la posa dello strato di catalizzatore, in altre parole, le istruzioni precise che dettagliano il tipo di gas precursore, la temperatura e la pressione del reattore necessarie per depositare una fondazione uniforme. "I film di ferro che abbiamo depositato inizialmente non erano uniformi come gli altri rivestimenti con cui abbiamo lavorato, quindi avevamo bisogno di un processo di sviluppo metodico per raggiungere i risultati di cui la NASA aveva bisogno per il passo successivo, " disse Lachlan Hyde, L'esperto di MCN in ALD.

La squadra australiana è riuscita, Hagopian ha detto. "Abbiamo coltivato con successo nanotubi di carbonio sui campioni che abbiamo fornito a MCN e dimostrano proprietà molto simili a quelle che abbiamo coltivato utilizzando altre tecniche per applicare lo strato di catalizzatore. Questo ci ha davvero aperto delle possibilità. Il nostro obiettivo finale di applicare un rivestimento di nanotubi di carbonio per parti di strumenti complesse è quasi realizzato."