Estas imagenes, tomado con un microscopio electrónico, muestran los nanotubos con patrones que operarían como emisores de electrones en un nuevo instrumento que se está desarrollando ahora para analizar muestras extraterrestres. La imagen de la derecha es un primer plano de una de las protuberancias. Crédito:NASA
Un recubrimiento ultra oscuro compuesto por hebras casi invisibles en forma de alfombra de pelusa hechas de carbono puro está demostrando ser muy versátil para todo tipo de aplicaciones de vuelos espaciales.
En la aplicación más reciente del recubrimiento de nanotubos de carbono, ingeniero óptico John Hagopian, un contratista en el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland, y la científica de Goddard, Lucy Lim, están cultivando una variedad de minúsculas, protuberancias en forma de botón de nanotubos de paredes múltiples en una oblea de silicio.
Los puntos, que miden sólo 100 micrones de diámetro, aproximadamente el tamaño de un cabello humano, servirían como fuente de "munición" para una sonda de mini electrones. Este tipo de instrumento analiza las propiedades químicas de las rocas y el suelo en cuerpos sin aire, como la Luna o un asteroide.
Aunque la sonda aún se encuentra en una etapa temprana de su desarrollo tecnológico, se muestra prometedor, dijo Lim, que está utilizando fondos del Programa de Conceptos de Instrumentos Planetarios de la NASA para el Avance del Programa de Observaciones del Sistema Solar, mejor conocido como PICASSO, para avanzar en el concepto.
El cañón de electrones del tamaño de una nanotecnología
Clave para el instrumento de Lim, por supuesto, son los nanotubos de carbono, que son excelentes emisores de electrones. Descubierto en 1991, Estas estructuras también exhiben una serie de útiles componentes electrónicos, propiedades magnéticas y mecánicas.
Para crear estas estructuras altamente versátiles, Los técnicos colocan una oblea de silicio o algún otro sustrato dentro de un horno. Mientras el horno se calienta, bañan el sustrato con un gas de materia prima de carbono para producir la fina capa de estructuras similares a pelos casi invisibles.
Para el emisor de electrones, Hagopian y Lim están usando esta técnica para hacerse pequeños, puntos circulares de nanotubos de carbono en un patrón de cuadrícula que la rama del detector de Goddard diseñó usando fotolitografía. Colocados por encima y por debajo del enrejado de puntos hay hilos o trazos de silicio y una rejilla que producen dos voltajes diferentes. Estos voltajes crean un campo eléctrico que activa la liberación de electrones contenidos dentro de las protuberancias o bosques de nanotubos de carbono.
Bajo el concepto de instrumento de Lim, los haces de electrones pasarían a través de una pila de lentes electrostáticos para acelerar su velocidad y ayudar a enfocarlos en un objetivo extraterrestre. Cuando los electrones golpean la muestra, el bombardeo excitaría los elementos contenidos dentro de la muestra, produciendo rayos X que luego un espectrómetro analizaría para identificar la composición química de la muestra.
John Hagopian (izquierda) colaboró con la científica de instrumentos Lucy Lim para desarrollar un nuevo instrumento que se basa en nanotubos de carbono para proporcionar los electrones necesarios para excitar los minerales contenidos en una muestra extraterrestre. Larry Hess (derecha) modela todas las pistas y parches donde se deposita el catalizador para el crecimiento de nanotubos. Crédito:Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA / Bill Hrybyk
Se esperan mejoras significativas
Aunque la NASA ha volado otros instrumentos que analizan muestras mediante rayos X, El concepto de Lim y su uso de nanotubos de carbono podrían ofrecer mejoras significativas.
Lo que es diferente acerca de su emisor de campo de electrones basado en nanotubos de carbono es su pequeño tamaño y el hecho de que es totalmente direccionable. "Podríamos elegir qué protuberancia activar, "Lim dijo." Podríamos analizar diferentes puntos en la muestra individualmente ".
A diferencia de, si el instrumento tuviera una sola fuente de electrones, solo pudo analizar una parte de la muestra, Dijo Lim. "Queremos obtener mapas de composición, ", agregó." Sin el emisor direccionable, es posible que no descubramos todos los minerales contenidos en una muestra, que tan grandes son, o su relación entre ellos ".
En prueba, Lim ha demostrado que las protuberancias emiten suficientes electrones para excitar una muestra. Es más, Hagopian, que voló un par de muestras de revestimiento en la Estación Espacial Internacional en 2014, ha demostrado que la tecnología puede sobrevivir a una excursión al espacio exterior.
El equipo, que también incluye a Larry Hess con la rama de detectores de Goddard, se está acercando a los desafíos técnicos y sabe que la nanotecnología funciona según lo previsto. Sin embargo, los obstáculos permanecen, dijo Hagopian, el fundador de Lanham, Nanofotónica avanzada con sede en Maryland. Empaquetar la cuadrícula basada en nanotubos en un paquete pequeño y luego conectarla a la electrónica del instrumento "es difícil, "Dijo Hagopian. Sin embargo, el equipo cree que puede demostrar la sonda de electrones basada en nanotubos en un par de años gracias al esfuerzo de investigación financiado por la NASA.
Supresión de luz parásita
En una aplicación completamente diferente y quizás más conocida, Hagopian está desarrollando recubrimientos para absorber la luz parásita que puede rebotar en los componentes del instrumento y, en última instancia, contaminar las mediciones.
En prueba, Los recubrimientos de nanotubos de carbono han demostrado ser muy eficaces para absorber el 99,8 por ciento de la luz que les llega y es la razón por la que parecen muy negros. Cuando la luz penetra en el bosque de nanotubos, pequeños espacios entre los tubos evitan que la luz rebote. Sin embargo, estos huecos no absorben la luz. El campo eléctrico de la luz excita electrones en los nanotubos de carbono, convertir la luz en calor y absorberla eficazmente, Dijo Hagopian.
Para los investigadores del Space Telescope Science Institute en Baltimore, Maryland, Hagopian está cultivando nanotubos con patrones intrincados en un componente que cambia el patrón de luz que se ha difractado de los bordes de las estructuras del telescopio utilizando máscaras coronagráficas. que bloquean la luz de las estrellas, Dijo Hagopian. El programa de Investigación Innovadora para Pequeñas Empresas de la NASA ha financiado el esfuerzo.
También está colaborando con el investigador principal Antonio Mannino para crear un revestimiento que evitaría que la luz parásita contamine las mediciones recopiladas por un nuevo instrumento llamado Coastal Ocean Ecosystem Dynamics Imager. o COEDI. Este espectrómetro hiperespectral está siendo diseñado para monitorear el color del océano desde la órbita geoestacionaria, mediciones que los científicos y otros podrían usar para evaluar y administrar los recursos costeros.
"Empecé a trabajar con John [Hagopian] hace dos años cuando descubrí en las pruebas que la luz difusa iba a ser un problema con COEDI, "dijo Mannino, quien está desarrollando su instrumento también con fondos de investigación y desarrollo de la NASA. "Le pedimos que nos ayudara con el problema. Creo que está cerca de resolverlo".
