De minuscules capteurs, constitués d'un matériau potentiellement précurseur d'une épaisseur d'un seul atome et présenté comme la "prochaine meilleure chose" depuis l'invention du silicium, sont actuellement développés pour détecter les éléments traces dans la haute atmosphère terrestre et les défauts structurels des engins spatiaux.

Technologue Mahmooda Sultana, qui a rejoint le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland., il y a deux ans et est depuis devenu l'expert incontournable de Goddard dans le développement de la technologie à base de graphène, a élargi son portefeuille pour inclure deux nouveaux efforts de recherche et développement visant à créer des détecteurs de taille nanométrique qui pourraient détecter l'oxygène atomique et d'autres éléments traces dans la haute atmosphère et les contraintes structurelles dans tout, des ailes d'avion aux bus de vaisseau spatial.

"Ce qui est cool avec le graphène, ce sont ses propriétés, " a déclaré Jeff Stewart, le chef adjoint par intérim de la technologie pour la division des systèmes mécaniques de Goddard. « Il offre une pléthore de possibilités. Franchement, nous ne faisons que commencer."

Graphène, découvert pour la première fois en 2004 par les scientifiques d'origine russe Andre Geim et Konstantin Novoselov, n'a qu'un atome d'épaisseur et est composé d'atomes de carbone disposés dans des hexagones étroitement liés, mieux visualisés sous forme de grillage à l'échelle atomique. Deux cents fois plus résistant que l'acier de construction, c'est non seulement le matériau le plus résistant jamais mesuré, mais aussi le plus sensible et le plus stable aux températures extrêmes, ce qui le rend idéal pour tous les types d'utilisations. Depuis sa découverte, des centaines d'organisations dans le monde ont lancé des efforts de recherche pour tirer parti des propriétés uniques du matériau.

Goddard fait partie du contingent grandissant.

Il y a plus d'un an, Sultana et son équipe ont remporté un financement de recherche et développement pour mettre en place des installations de production et affiner les techniques de traitement pour la fabrication de graphène à l'aide d'une technique appelée dépôt chimique en phase vapeur (CVD), une technique également utilisée dans la fabrication de puces informatiques. Avec cette approche, les techniciens placent un substrat métallique à l'intérieur d'une chambre à vide et injectent des gaz qui réagissent ou se décomposent ensuite pour produire le film mince souhaité.

Depuis, le groupe a réussi à fabriquer et à transformer des quantités relativement importantes, morceaux de graphène de haute qualité, et est maintenant prêt à appliquer son expertise pour faire avancer d'autres applications. "L'une des applications les plus prometteuses de ce matériau est en tant que capteur chimique, " dit Sultane.

Capteurs chimiques

Elle a fait équipe avec le scientifique à la retraite de Goddard Fred Herrero, qui poursuit la recherche à titre émérite, développer un miniaturisé, faible masse, batterie faible, détecteur à base de graphène qui pourrait mesurer la quantité d'oxygène atomique dans la haute atmosphère. L'oxygène atomique dans la haute atmosphère est créé lorsque le rayonnement ultraviolet du soleil brise la molécule d'oxygène (O2). L'élément réactif résultant est hautement corrosif. Alors que les satellites survolent la haute atmosphère, le produit chimique les frappe à environ cinq miles par seconde. Les impacts détruisent les matériaux des engins spatiaux couramment utilisés, comme Kapton.

Bien que les scientifiques pensent que l'oxygène atomique constitue 96 % de l'atmosphère mince en orbite terrestre basse, Herrero s'intéresse à mesurer sa densité et à déterminer plus précisément son rôle dans la création de traînée atmosphérique, ce qui peut faire perdre prématurément de l'altitude aux engins spatiaux en orbite et plonger vers la Terre. "Nous ne connaissons toujours pas l'impact des éléments atomiques sur les engins spatiaux dans la création d'une force de traînée, " at-il dit. "Nous ne savons pas combien d'impulsion est transférée entre l'atome et le vaisseau spatial. Ceci est important car les ingénieurs doivent comprendre l'impact pour estimer la durée de vie d'un vaisseau spatial et combien de temps il faudra avant que le vaisseau spatial ne rentre dans l'atmosphère terrestre. »

La recherche a montré que les capteurs à base de graphène offrent une bonne solution, dit Sultane. Lorsque le graphène absorbe l'oxygène atomique, il s'oxyde, produisant un changement dans la résistance électrique du matériau qu'un capteur à base de graphène pourrait ensuite compter rapidement pour produire une mesure de densité plus précise. "Je suis vraiment enthousiasmé par les possibilités de ce matériau, " Herrero a dit, ajoutant que le graphène simplifierait grandement les étapes nécessaires pour mesurer l'oxygène atomique. "Nous comptons combien de fois la résistance change."

L'oxygène atomique n'est pas le seul élément que le capteur chimique pourrait mesurer, dit Sultane. Elle pense également que c'est idéal pour mesurer le méthane, monoxyde de carbone, et d'autres gaz sur d'autres corps planétaires et surveiller le dégazage qui contamine parfois l'optique des instruments. Elle prévoit de fabriquer et de tester la première génération de capteurs chimiques à base de graphène d'ici la fin de l'exercice, elle a dit. "C'est à un stade très précoce, " ajouta Sultana.

Détection de souche

Les attributs uniques du graphène en font également un candidat viable pour détecter les contraintes dans les composants des engins spatiaux, elle a dit. Avec ses collaborateurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT), l'équipe utilise le soutien du bureau du technologue en chef de la NASA pour faire avancer un petit capteur qui pourrait être intégré dans les matériaux des engins spatiaux, y compris les composites. Si le matériau a subi un certain type de stress, les minuscules capteurs le détecteraient.

L'équipe a utilisé le CVD pour fabriquer et tester un gros morceau de graphène, dont les propriétés électriques sont sensibles à la détection des contraintes, dit Sultane. Ses collaborateurs du MIT fabriquent maintenant des appareils au graphène et son équipe les câble pour lire les mesures, un peu comme les électrodes médicales utilisées pour certains tests médicaux. Cependant, Sultana prévoit de supprimer le câblage pour qu'il fonctionne de manière autonome, elle a dit.

« Cela pourrait être déployé de manière non invasive, " a dit Stewart. " En ce moment, nous utilisons des appareils relativement gros pour détecter les dommages ou les sources potentielles de défaillance, mais avec des capteurs autonomes à base de graphène, notre espoir est de pouvoir les mettre dans le matériau lui-même."

« Nous pouvons utiliser une combinaison différente de ses propriétés extrêmes et utiliser le même matériau pour différentes applications de détection, " a ajouté Sultana. " C'est la beauté du graphène. "