Un ingénieur de la NASA a franchi une nouvelle étape dans sa quête pour faire progresser une nanotechnologie émergente super noire qui promet de rendre les instruments des engins spatiaux plus sensibles sans agrandir leur taille.

Une équipe dirigée par John Hagopian, un ingénieur optique au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland., a démontré qu'il peut faire croître une couche uniforme de nanotubes de carbone grâce à l'utilisation d'une autre technologie émergente appelée dépôt de couche atomique ou ALD. Le mariage des deux technologies permet désormais à la NASA de faire croître des nanotubes sur des composants tridimensionnels, tels que les chicanes et les tubes complexes couramment utilisés dans les instruments optiques.

"La signification de ceci est que nous avons de nouveaux outils qui peuvent rendre les instruments de la NASA plus sensibles sans rendre nos télescopes de plus en plus gros, " a déclaré Hagopian. " Cela démontre la puissance de la technologie nanométrique, qui est particulièrement applicable à une nouvelle classe de minuscules satellites moins chers appelés Cubesats que la NASA développe pour réduire le coût des missions spatiales. »

Depuis le début de ses efforts de recherche et développement il y a cinq ans, Hagopian et son équipe ont fait des progrès importants en appliquant la technologie des nanotubes de carbone à un certain nombre d'applications de vol spatial, comprenant, entre autres, la suppression de la lumière parasite qui peut submerger les signaux faibles que les détecteurs sensibles sont censés récupérer.

Super Absorption

Au cours de la recherche, Hagopian a réglé le matériau super noir à base de nano, le rendant idéal pour cette application, absorbant en moyenne plus de 99% des ultraviolets, visible, la lumière infrarouge et infrarouge lointaine qui la frappe - une étape jamais atteinte auparavant qui promet maintenant d'ouvrir de nouvelles frontières dans la découverte scientifique. Le matériau est constitué d'un mince revêtement de nanotubes de carbone multi-parois d'environ 10, 000 fois plus fin qu'un cheveu humain.

Autrefois une nouveauté de laboratoire cultivée uniquement sur silicium, l'équipe de la NASA fait maintenant pousser ces forêts de tubes de carbone verticaux sur des matériaux couramment utilisés pour les engins spatiaux, comme le titane, cuivre et acier inoxydable. De minuscules espaces entre les tubes collectent et piègent la lumière, tandis que le carbone absorbe les photons, les empêchant de se refléter sur les surfaces. Parce que seule une petite fraction de la lumière se réfléchit sur le revêtement, l'œil humain et les détecteurs sensibles voient le matériau comme noir.

Avant de faire pousser cette forêt de nanotubes sur des pièces d'instruments, cependant, les scientifiques des matériaux doivent d'abord déposer une fondation hautement uniforme ou une couche catalytique d'oxyde de fer qui soutient la croissance des nanotubes. Pour ALD, les techniciens le font en plaçant un composant ou un autre matériau de substrat à l'intérieur d'une chambre de réacteur et en pulsant séquentiellement différents types de gaz pour créer un film ultra-mince dont les couches ne sont littéralement pas plus épaisses qu'un seul atome. Une fois appliqué, les scientifiques sont alors prêts à cultiver les nanotubes de carbone. Ils placent le composant dans un autre four et chauffent la pièce à environ 1, 832 F (750 C). Pendant qu'il chauffe, le composant est baigné dans un gaz de charge contenant du carbone.

« Les échantillons que nous avons cultivés à ce jour sont de forme plate, " expliqua Hagopian. " Mais étant donné les formes complexes de certains composants de l'instrument, nous voulions trouver un moyen de faire croître des nanotubes de carbone sur des pièces en trois dimensions, comme des tubes et des chicanes. La partie difficile consiste à déposer une couche de catalyseur uniforme. C'est pourquoi nous nous sommes tournés vers le dépôt de couche atomique au lieu d'autres techniques, qui ne peut appliquer une couverture que de la même manière que vous pulvériseriez quelque chose avec de la peinture à partir d'un angle fixe."

ALD à la rescousse

ALD, décrit pour la première fois dans les années 1980 et adopté plus tard par l'industrie des semi-conducteurs, est l'une des nombreuses techniques d'application de films minces. Cependant, L'ALD offre un avantage sur les techniques concurrentes. Les techniciens peuvent contrôler avec précision l'épaisseur et la composition des films déposés, même au plus profond des pores et des cavités. Cela donne à ALD la capacité unique de recouvrir et autour d'objets 3D.

Vivek Dwivedi, co-investigateur Goddard de la NASA, grâce à un partenariat avec l'Université du Maryland à College Park, fait maintenant progresser la technologie des réacteurs ALD personnalisée pour les applications de vol spatial.

Pour déterminer la viabilité de l'utilisation d'ALD pour créer la couche de catalyseur, pendant que Dwivedi construisait son nouveau réacteur ALD, Hagopian a engagé via le Science Exchange les services du Melbourne Centre for Nanofabrication (MCN), Le plus grand centre de recherche en nanofabrication d'Australie. Le Science Exchange est un marché communautaire en ligne où les prestataires de services scientifiques peuvent proposer leurs services. L'équipe de la NASA a livré un certain nombre de composants, y compris un occulteur de forme complexe utilisé dans un nouvel instrument développé par la NASA pour observer les planètes autour d'autres étoiles.

Grâce à cette collaboration, l'équipe australienne a affiné la recette pour la pose de la couche de catalyseur, en d'autres termes, les instructions précises détaillant le type de gaz précurseur, la température et la pression du réacteur nécessaires pour déposer une fondation uniforme. "Les films de fer que nous avons déposés initialement n'étaient pas aussi uniformes que les autres revêtements avec lesquels nous avons travaillé, nous avions donc besoin d'un processus de développement méthodique pour obtenir les résultats dont la NASA avait besoin pour la prochaine étape, " dit Lachlan Hyde, L'expert de MCN en ALD.

L'équipe australienne a réussi, dit Hagopian. « Nous avons réussi à faire pousser des nanotubes de carbone sur les échantillons que nous avons fournis à MCN et ils présentent des propriétés très similaires à celles que nous avons développées en utilisant d'autres techniques pour appliquer la couche de catalyseur. Cela nous a vraiment ouvert des possibilités. Notre objectif d'appliquer finalement un revêtement en nanotubes de carbone sur des pièces d'instruments complexes est presque réalisé."