Pequeños sensores, hechos de un material potencialmente pionero de solo un átomo de espesor y anunciado como la "mejor alternativa" desde la invención del silicio, se están desarrollando ahora para detectar elementos traza en la atmósfera superior de la Tierra y fallas estructurales en las naves espaciales.

Tecnólogo Mahmooda Sultana, que se unió al Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland., hace dos años y desde entonces se ha convertido en el experto de Goddard en el desarrollo de tecnología basada en grafeno, ha ampliado su cartera para incluir dos nuevos esfuerzos de investigación y desarrollo destinados a crear detectores de tamaño nanométrico que podrían detectar oxígeno atómico y otros oligoelementos en la atmósfera superior y tensiones estructurales en todo, desde las alas de los aviones hasta los autobuses de las naves espaciales.

"Lo bueno del grafeno son sus propiedades, "dijo Jeff Stewart, el subdirector interino de tecnología de la División de Sistemas Mecánicos de Goddard. "Ofrece una gran cantidad de posibilidades. Francamente, recién estamos comenzando ".

Grafeno descubierto por primera vez en 2004 por los científicos de origen ruso Andre Geim y Konstantin Novoselov, tiene solo un átomo de espesor y está compuesto por átomos de carbono dispuestos en hexágonos estrechamente unidos que se visualizan mejor como una malla de gallinero a escala atómica. Doscientas veces más fuerte que el acero estructural, no solo es el material más resistente jamás medido, pero también el más sensible y estable a temperaturas extremas, haciéndolo ideal para todo tipo de usos. Desde su descubrimiento, cientos de organizaciones en todo el mundo han lanzado esfuerzos de investigación para aprovechar las propiedades únicas del material.

Goddard es uno en el contingente creciente.

Hace más de un año Sultana y su equipo obtuvieron fondos para investigación y desarrollo para establecer instalaciones de producción y perfeccionar las técnicas de procesamiento para fabricar grafeno utilizando una técnica llamada deposición química de vapor (CVD). una técnica también utilizada en la fabricación de chips de computadora. Con este enfoque, Los técnicos colocan un sustrato metálico dentro de una cámara de vacío e inyectan gases que luego reaccionan o se descomponen para producir la película delgada deseada.

Desde entonces, el grupo ha tenido éxito en la fabricación y el procesamiento relativamente grandes, piezas de grafeno de alta calidad, y ahora está listo para aplicar su experiencia para promover otras aplicaciones. "Una de las aplicaciones más prometedoras de este material es como sensor químico, "Dijo Sultana.

Sensores químicos

Se ha asociado con el científico retirado de Goddard Fred Herrero, que está realizando la investigación en calidad de emérito, para desarrollar un miniaturizado, de baja masa de baja potencia Detector basado en grafeno que podría medir la cantidad de oxígeno atómico en la atmósfera superior. El oxígeno atómico en la atmósfera superior se crea cuando la radiación ultravioleta del sol rompe la molécula de oxígeno (O2). El elemento reactivo resultante es altamente corrosivo. Mientras los satélites vuelan por la atmósfera superior, el químico los golpea a unas cinco millas por segundo. Los impactos destruyen los materiales de las naves espaciales de uso común, como Kapton.

Aunque los científicos creen que el oxígeno atómico constituye el 96 por ciento de la atmósfera delgada en la órbita terrestre baja, Herrero está interesado en medir su densidad y determinar con mayor precisión su papel en la creación de resistencia atmosférica, lo que puede hacer que las naves espaciales en órbita pierdan altitud prematuramente y caigan a la Tierra. "Todavía no conocemos el impacto de los elementos atómicos en las naves espaciales en la creación de una fuerza de arrastre, ", dijo." No sabemos cuánto impulso se transfiere entre el átomo y la nave espacial. Esto es importante porque los ingenieros necesitan comprender el impacto para estimar la vida útil de una nave espacial y cuánto tiempo tomará antes de que la nave vuelva a entrar en la atmósfera de la Tierra ".

La investigación ha demostrado que los sensores basados ​​en grafeno ofrecen una buena solución, Dijo Sultana. Cuando el grafeno absorbe oxígeno atómico, se oxida, produciendo un cambio en la resistencia eléctrica del material que un sensor basado en grafeno podría contar rápidamente para producir una medición de densidad más precisa. "Estoy muy entusiasmado con las posibilidades de este material, Herrero dijo, agregando que el grafeno simplificaría enormemente los pasos necesarios para medir el oxígeno atómico. "Estaríamos contando con qué frecuencia cambia la resistencia".

El oxígeno atómico no es el único elemento que podría medir el sensor químico, Dijo Sultana. También cree que es ideal para medir el metano, monóxido de carbono, y otros gases en otros cuerpos planetarios y monitoreando la desgasificación que a veces contamina la óptica de los instrumentos. Ella planea fabricar y probar la primera generación de sensores químicos basados ​​en grafeno para fines del año fiscal. ella dijo. "Esto se encuentra en una etapa muy temprana, "Añadió Sultana.

Detección de deformaciones

Los atributos únicos del grafeno también lo convierten en un candidato viable para detectar tensiones en los componentes de la nave espacial. ella dijo. Con sus colaboradores en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), el equipo está utilizando el apoyo de la Oficina del Tecnólogo Jefe de la NASA para hacer avanzar un pequeño sensor que podría incrustarse en los materiales de la nave espacial, incluidos los compuestos. Si el material sufrió algún tipo de estrés, los diminutos sensores lo detectarían.

El equipo ha utilizado CVD para fabricar y probar una gran pieza de grafeno, cuyas propiedades eléctricas son sensibles a la detección de tensiones, Dijo Sultana. Sus colaboradores del MIT ahora están fabricando dispositivos de grafeno y su equipo los está conectando para leer las mediciones, al igual que los electrodos médicos que se usan para ciertas pruebas médicas. Sin embargo, Sultana prevé eliminar el cableado para que funcione de forma autónoma, ella dijo.

"Esto podría implementarse de forma no invasiva, "Dijo Stewart." Ahora mismo, utilizamos dispositivos relativamente grandes para detectar daños o posibles fuentes de fallas, pero con sensores autónomos basados ​​en grafeno, nuestra esperanza es poder ponerlos en el propio material ".

"Podemos emplear una combinación diferente de sus propiedades extremas y usar el mismo material para diferentes aplicaciones de detección, "Sultana agregó." Esa es la belleza del grafeno ".