石墨烯气凝胶是一种有前途的绝缘、储能材料，很难在地球上制造，但在太空中可能更容易生产。
我第一次了解到一种叫做碳化硅的材料，它让我大吃一惊。它是最坚硬的合成材料之一，几乎与钻石一样坚硬，并且难以腐蚀。它的内部结构可以采取200多种不同晶体类型的形式。这是真正酷的部分：在大气压下，它永远不会融化 - 当它达到2,700摄氏度时，它会跳过液体形式，直接从固体变成气态蒸气。
当我在加州大学伯克利分校攻读机械工程博士学位时，我遇到了碳化硅，它的虚幻特性让我迷上了材料科学。我受到启发，调查使用这种奇怪的材料制造电子产品的挑战和机遇。
直到我获得博士学位后，我才知道碳化硅不仅在地球上很坚韧，它还可以承受太空中发现的许多特殊条件：辐射、太空尘埃、狂野的温度和缺乏重力。宇宙辐射 - 高能粒子，如质子，电子和中子 - 降解大多数电子产品。但碳化硅对宇宙射线的敏感度比硅低60%。大多数材料无法承受极端温度，比如灼热的金星或寒冷的天王星，更不用说在这种对立面之间摆动了。但是碳化硅可以。
意识到碳化硅可能具有在太空中工作的正确特性为我的职业生涯设定了方向，将材料研究与太空探索相结合。我对空间如何影响材料以及材料在空间中的表现着迷。今天，我设计用于太空任务的电子设备，并研究在轨道上生长的材料如何改善它们。
我的大部分工作都集中在金星上。它是我们最近的邻居，但人类只瞥见了2023年苏联任务期间拍摄的金星表面的少数彩色全景图像。科学家假设数十亿年前的金星看起来像地球，有流动的水和凉爽的气候。今天，它的表面在475摄氏度下燃烧，温度足以熔化铅。大气中充满了二氧化碳和二氧化硫，硫酸雨云覆盖了天空。金星表面的压压是地球的90倍以上，类似于你在海洋下方一英里处遇到的压力。
我希望在我的有生之年看到金星着陆器任务，可以收集有关表面温度和天气模式的动态数据。美国宇航局提议进行一项为期60天的任务，从金星表面进行一系列测量，但该机构还不知道如何建造必要的仪器。在斯坦福大学的极限环境微系统实验室（xlab），我和我的学生构建了微小但坚固的电子设备，旨在承受金星将向他们抛出的一切。
debbie g. senesky在斯坦福大学工程学院管理extreme环境微系统实验室（xlab）。学分：斯宾塞·洛厄尔。
金星的高温是最大的障碍之一。在那种热量下，许多材料会简单地融化。即使它们不这样做，它们的弹性和其他特性也会发生变化，并且很难**这些变化将如何影响材料的功能。例如，如果你的手机落在金星上，热能会引发一连串的电子，并将你的设备送上弗里茨。
手机（以及我们的大多数日常电子产品）依赖于半导体材料，主要是硅。这些通常与顶部的金属电极分层。但是当它们变得太热时，金属会扩散到半导体材料中并将其变成不需要的合金，从而改变材料的机械和电气性能。
这就是碳化硅的用武之地。它和我研究的另一种称为氮化镓的材料是普通硅的良好替代品。氮化镓常用于电力电子、高频电子和蓝色led。这两种材料都具有像硅一样的半导体特性，但与硅不同，由于其宽电子带隙和高原子结合能，它们还可以承受高温和辐射。简单来说，电子需要大量的能量才能达到这些材料中导电所需的水平，因此即使在热的时候它们也能保持正常的导电性。氮化镓可以在高于1000摄氏度的温度下电工作。
在斯坦福纳米制造工厂的洁净室里，我和我的学生制造了微小的氮化镓晶体管。接下来，我们将它们带到xlab，在那里我们使用专门的测试设备将它们加热到470摄氏度六天。六天没有60天那么长，这是nasa计划中的金星任务的长度，但它比苏联30年前的两小时任务要长得多，所以我们正朝着正确的方向前进。
有时，我们会进一步将我们的电子元件置于美国宇航局位于克利夫兰的格伦极端环境钻井平台中金星的完整模拟化学体验中。我的一些实验使用了这个设施，经历了475摄氏度的温度以及金星上存在的二氧化硫和90巴的压力。我不想在我的实验室里有那种酸性化学，但我很高兴nasa这样做了。
一个碳化硅和氮化镓有望制造出具有极强弹性的电子产品，但它们很难在没有很多缺陷的情况下在地球上制造——我们只能在这里制造它们的小晶圆。然而，在太空中，情况可能会有所不同，在太空中，缺乏几种基于重力的现象应该使我们能够更快地生长出更大，更均匀的晶体和其他材料。
在地球上，重力限制了我们构建半导体和其他材料所依赖的物理学。制造没有重力的材料提供了一种自由。要了解其中的区别，请考虑在地球上喝一杯土耳其咖啡。在重力将精美的咖啡渣拖到杯底后，您可以从顶部喝下未浑浊的咖啡。但在太空的微重力下，土耳其咖啡渣会均匀地漂浮在整个杯子里，宇航员喝一口最终会得到一口细颗粒。当然，喝咖啡不方便，但对其他目的有益。当物质均匀地悬浮在流体中时，就像它们在太空中一样，我们可以设计出具有更均匀特性的材料，并且以更快的速度做到这一点。
具有各种高温氮化镓电子设备的芯片有可能在金星的极端条件下使用。学分：斯宾塞·洛厄尔。
地球上的另一个限制因素，浮力，在微重力下不存在。在这里，气泡和其他比水轻的物质漂浮在液体中。当您在地面上合成一种材料时，浮力可以阻止两种物质均匀混合。但在微重力下，气泡的重量与水相同，不会上升到表面，因此水和空气混合得更好。
热对流 - 由温度变化引起的流体或气体中颗粒的运动，这会破坏材料合成并损害最终产品的质量 - 是另一个在微重力下不会发生的过程。因此，在没有对流的微重力下制造的材料显示出较少的缺陷。
大约五年前，我第一次对在轨道上种植材料感兴趣，当时我被邀请参加一个研讨会，讨论太空中的纳米材料制造。我对这个话题没有太多的专业知识，但这次活动激起了我的兴趣。研讨会结束后，有人征集在国际空间站（iss）上制造材料的提案，我抓住了这个机会。这个机会是由美国国家科学**会和空间科学促进中心（casis）联合征集的，该中心负责管理空间站和在那里进行的研究。
在那之前，我只知道如何在地球上制造东西。跟上进度感觉就像回到了我的研究生时代。几天来，我熬夜阅读有关过去在空间站工作的**。我学到的越多，我对微重力制造就越兴奋。这就像一个灯泡在我脑海中打开——我知道微重力是半导体和材料科学的新前沿。
在太空中制造的材料不仅可以优于地球上制造的材料，而且它们最终在太空中使用更可取：在那里制造它们肯定比在地球上建造所有东西并将其放在火箭上更方便。例如，2023年，当国际空间站的一名机组人员在航天器上的某个地方丢失了扳手时，工程师将第一个3d打印机设计上传到太空，并在那里为宇航员制造了一个替换扳手。
学分：珍·克里斯蒂安森当我开始研究这个课题时，我不知道nasa的科学家已经在太空中制造了半导体晶体。2023年，美国宇航局在哥伦比亚号航天飞机上发**第一个美国微重力实验室，宇航员在那里生产了两种名为砷化镓的材料晶体。最近，科学家们在太空中制造了光纤电缆材料，可以更清晰地传输激光和互联网信号。在跟上进度后，我致力于设计自己的太空实验。其中一个挑战是弄清楚我在工作站上可以使用哪些工具。制造半导体晶体或材料通常需要高温，这可能是危险的。国际空间站上的大多数设备都是为在更凉爽、更安全的温度下运行的生物学实验量身定制的。幸运的是，对于我和我的团队来说，船上有一台名为subsa（在密封安瓿中使用挡板进行凝固）的小型机器，类似于您在半导体洁净室中看到的熔炉。它可以达到850摄氏度 - 对于我们的目的来说足够热。
我和我的合作者提出了在subsa炉中生长一种纳米材料，石墨烯气凝胶的想法，我们赢得了nsf-casis奖。
we于8月1日胜利地在诺斯罗普·格鲁曼公司的ng-19火箭上向国际空间站发**我们的实验。我们发送了一个小型高压灭菌器——一种产生高温和高压的机器——里面装满了水和氧化石墨烯薄片，我们将其用作起始成分。到达后，宇航员将高压釜装入subsa炉中，并将热量调高至180摄氏度。在此过程中，内容物被转化为石墨烯水凝胶 - 基本上是石墨烯和水的混合物。这些样本现已返回地面，于9月4日通过spacex的crew-6任务返回。想到我们的实验产品与四名宇航员一起重新进入地球大气层，真是令人兴奋。现在我们计划将样品干燥，将水凝胶变成气凝胶，其中水被空气代替。
石墨烯 - 一种以六边形结构键合的单原子厚的碳片 - 比钢更坚固并且具有导电性。当它以石墨烯气凝胶的形式出现时，它有点海绵状，并且具有使其可用于许多应用的特性：隔热，
三个金属有机骨架晶体样品即将进行扫描电子混杂。senesky和她的团队计划在轨道上种植这些材料。学分：斯宾塞·洛厄尔。
当我们在地球上的xlab中制造石墨烯气凝胶时，重力会破坏片材在成为凝胶的过程中连接在一起的方式。此外，该材料容易沉淀。石墨烯薄片可以像土耳其咖啡渣一样沉到我们容器的底部。这种不平衡会导致气凝胶的电导率不均匀，从而产生热点和故障。
但我和我的学生希望国际空间站上的薄片可以自由漂浮。我们**，当沉积和浮力没有发挥作用时，我们最终会得到更均匀的结构和均匀的特性。例如，最终产品可能能够在一个区域更均匀地隔绝热量。此外，我们的气凝胶可以用作具有更规则电流密度的电极，消除热点。我们预计用这种太空材料设计的电池将运行得更可靠。常见的金属电极在经历充放电循环时会膨胀；它们断裂和断裂。海绵状石墨烯气凝胶减少了这些潜在的破损。
现在我们从太空带回了有效载荷，我们将看看我们生产的气凝胶的结构。我们将测量其机械、热学和电学特性，并将它们与地面制造的气凝胶的特性进行比较。例如，我很好奇我们是否会在太空生长气凝胶的微观物理结构中看到有趣的形状。当我用扫描电子显微镜放大传统的石墨烯气凝胶时，结构看起来非常多孔和曲折，并且片被随机**在一起。我想知道我们是否会在微重力下制作的样品中看到一种更周期性的结构，更可重复的东西。
如果这些太空制造的气凝胶确实比地面生产的气凝胶生长更均匀，性能更好，它们可能是未来航天器的传感器，电池和隔热材料的基石。
我们在国际空间站上的实验只是一个开始。我们希望它能帮助证明我们可以在微重力下制造出优质的材料。接下来，我们将种植更多类型的材料，这些材料在这里被证明具有挑战性或不可能合成。我们最新的研究计划专注于在长时间的微重力下生长金属有机框架晶体。除了发现新材料外，我们还需要增加实验的规模，并将我们制造的材料整合到地球上使用的实际产品中。我们送到空间站的容器直径只有五毫米。如果我们想生产更大的材料用于实际目的，我们最终将不得不超越国际空间站，转向专门用于生产的站，例如计划在本世纪20年代后期自由飞行的商业空间站之一。
我很惊讶更多的人对这种潜力并不感到兴奋。半导体行业的人们应该开始认真考虑在太空中大规模生产他们的产品。他们目前必须扔掉大量包含缺陷的材料。如果没有这些浪费，他们可能会支付在轨道上建造工厂的成本。我们可以看到大规模生产的半导体具有比我们在地球上所能实现的更高的性能、可靠性和可扩展性。
随着商业航天工业的发展，我们很快就会看到更频繁的任务和更多的人类活动在轨道上。工业界应该计划搭上这趟车。太空中的工厂可能听起来像科幻**，但我相信它们应该是我们日常生活的一部分。我很高兴从我的实验室出来的工作将有助于我们实现这个梦想。
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