Инженеры NASA достигли очередной вехи в своём стремлении реализовать не имеющий аналогов проект нанотехнологий, которые позволят сделать инструментарий для космических аппаратов ещё более чувствительным, при этом, не увеличивая размеры самих приборов.
Команда специалистов во главе с John Hagopian, инженером-оптиком из Goddard Space Flight Center, продемонстрировала, что возможно вырастить нанотрубку, состоящую из одного слоя атомов углерода, с помощью технологии атомно-слоевого осаждения ALD (Аtomic layer deposition). Таким образом, команда NASA на шаг приблизилась к созданию нанотрубок на трёхмерных компонентах, таких как сложные перегородки и трубы, которые весьма часто используют в оптических приборах.
«Таким образом, мы обладаем абсолютно новыми инструментами, которые помогут сделать приборы NASA ещё более чувствительными, не увеличивая при этом размеры телескопов» — отметил John Hagopian. «Такие достижения демонстрируют мощь наноразмерных технологий, которые великолепно подойдут для нового класса относительно недорогих крошечных спутников «Cubesats», которые NASA разрабатывает для того, чтобы снизить стоимость космических миссии».
За пять лет научно-исследовательской работы, команда John Hagopian добилась значительных успехов в применении углеродных нанотрубок в технологиях для многих космических полётов, включая, среди прочего, подавление рассеянного света, что позволит локализировать слабые сигналы, удавливаемые датчиками.
В ходе исследований, командой John Hagopian создан супер-черный наноматериал, способный поглощать порядка 99% ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и дальнего инфракрасного излучения, попадающего на него. Такая разработка открывает принципиально новые горизонты для научных исследований. Наноматериал состоит из тончайшего слоя нанотрубок углерода, который примерно в 10 тысяч раз тоньше человеческого волоса.
После того, как «новинку» в лабораторных условиях удалось вырастить на кремнии, команда NASA приступила к выращиванию на материалах, из которых обычно состоят космические аппараты, таких как титан, медь, нержавеющая сталь. Крошечные промежутки между нанотрубками улавливают свет, после чего углерод поглощает фотоны, не позволяя им отражаться от поверхности. Поскольку весьма незначительная доля света отражается от поверхности, человеческому глазу и светочувствительным датчикам такой наноматериал кажется черным.
Прежде чем создавать нанотрубки на комплектующих приборов, учёные предварительно должны добиться высокой однородности основы. Для этого наносился слой катализатора из окиси железа, который поддерживает рост нанотрубок.
Технология ALD предполагает немного иной механизм обработки материала – компонент помещают в специальную камеру, где под воздействием различных видов газа создаётся ультратонкая плёнка, по толщине соизмеримая с размерами одного атома. Лишь после такой обработки материала можно приступать к выращиванию углеродных нанотрубок.
Следующим этапом — основу под наноматериал помещают в камеру, температура в которой достигает 1832 F (750 С). В процессе нагрева компонент обрабатывается углеродосодержащим газовым сырьём.
«Образцы, которые нам удалось вырастить на сегодняшний день, по форме являются плоскими» — объясняет John Hagopian. «Но учитывая сложные формы некоторых компонентов-комплектующих приборов, мы бы хотели найти способ выращивать 3D нанотрубки. Именно по этой причине мы используем ALD, а не другой метод».
Метод атомно-слоевого осаждения (ALD), первоначально описанный в 1980 году и позже ставший незаменимым для полупроводниковой промышленности, является одним из немногих методов, с помощью которых возможно создавать чрезвычайно тонкие плёнки. К тому же, ALD имеет ряд весомых преимуществ по сравнению с другими аналогичными методами — технологи могут контролировать толщину, состав плёнки и даже глубину внутренних пор и полостей.
Соисследователь Vivek Dwivedi из NASA’s Goddard Space Flight Center в сотрудничестве с University of Maryland at College Park также занимается продвижением технологии молекулярного наслаивания ALD reactor при создании комплектующих и приборов для обслуживания космических полётов.
Для определения целесообразности использования ALD для создания слоя катализатора, Hagopian обращался за помощью к Melbourne Centre for Nanofabrication через Science Exchange. Melbourne Centre for Nanofabrication является крупнейшим исследовательским центром Австралии, где занимаются разработкой нанотехнологий. Команда NASA предоставила MCN огромное количество образцов-компонентов, среди которых и новая разработка НАСА – прибор для наблюдения планет, вращающихся вокруг звёзд.
Благодаря этому сотрудничеству австралийская команда усовершенствовала технологию нанесения слоя катализатора. «Плёнки из окиси железа, которые наносились первоначально, не были столь однородными как другие покрытия, с которыми нам приходилось работать. Поэтому NASA для продвижения достигнутых результатов нуждалось в этом шаге» — сказал Lachlan Hyde, эксперт метода ALD из MCN.
John Hagopian положительно охарактеризовал работу австралийских коллег: « Мы успешно вырастили углеродные нанотрубки на образцах, предоставленных MCN. По свойствам нанотрубки весьма похожи на те, которые мы выращивали с использованием другим методов нанесения катализатора. Такие модернизации открыли для нас новые возможности. Поставленная нами задача – создать покрытие из углеродных нанотрубок для сложных деталей приборов, практически достигнута».
