Cientistas do MIT desenvolvem baixa

imagem anterior imagem seguinte

As tecnologias que dependem de sistemas ópticos leves e de alta precisão, como telescópios espaciais, espelhos de raios X e painéis de exibição, desenvolveram-se significativamente nas últimas décadas, mas o progresso mais avançado foi limitado por desafios aparentemente simples. Por exemplo, as superfícies de espelhos e placas com microestruturas necessárias nesses sistemas ópticos podem ser distorcidas por materiais de revestimento de superfície estressados, degradando a qualidade óptica. Isso é especialmente verdadeiro para sistemas ópticos ultraleves, como a óptica espacial, onde os métodos tradicionais de fabricação óptica lutam para atender aos requisitos de formato exatos.

Agora, os pesquisadores do MIT Youwei Yao, Ralf Heilmann e Mark Schattenburg do Laboratório de Nanotecnologia Espacial (SNL) do Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT, bem como o recém-formado Brandon Chalifoux PhD '19, criaram novos métodos para superar isso barreira.

Em um artigo publicado na edição de 20 de abril da Optica, Yao, um cientista pesquisador e principal autor do artigo, explica sua nova abordagem para remodelar materiais de placas finas de uma maneira que elimine a distorção e permita que os pesquisadores dobrem as superfícies de forma mais arbitrária no formato preciso e formas complexas de que possam necessitar. A modelagem de placa fina é normalmente usada para sistemas complexos de alto nível, como espelhos deformáveis ​​ou processos de achatamento de wafer durante a fabricação de semicondutores, mas essa inovação significa que a produção futura será mais precisa, escalável e barata. Yao e o restante da equipe imaginam que essas superfícies mais finas e facilmente deformáveis ​​podem ser úteis em aplicações mais amplas, como fones de ouvido de realidade aumentada e telescópios maiores que podem ser enviados ao espaço a um custo menor. "Usar tensão para deformar superfícies ópticas ou semicondutoras não é novidade, mas ao aplicar a tecnologia litográfica moderna, podemos superar muitos dos desafios dos métodos existentes", diz Yao.

O trabalho da equipe se baseia na pesquisa de Brandon Chalifoux, que agora é professor assistente na Universidade do Arizona. Chalifoux trabalhou com a equipe em trabalhos anteriores para desenvolver um formalismo matemático para conectar estados de tensão de superfície com deformações de placas finas, como parte de seu doutorado em engenharia mecânica.

Nesta nova abordagem, Yao desenvolveu um novo arranjo de padrões de estresse para controlar com precisão o estresse geral. Substratos para superfícies ópticas são primeiro revestidos na parte de trás com finas camadas de filme de alto estresse, feito de materiais como dióxido de silício. Novos padrões de tensão são impressos litograficamente no filme para que os pesquisadores possam alterar as propriedades do material em áreas específicas. O tratamento seletivo do revestimento de filme em diferentes áreas controla onde o estresse e a tensão são aplicados na superfície. E como a superfície ótica e o revestimento são aderidos juntos, a manipulação do material de revestimento também remodela a superfície ótica de acordo.

"Você não está adicionando estresse para criar uma forma, está removendo seletivamente o estresse em direções específicas com estruturas geométricas cuidadosamente projetadas, como pontos ou linhas", diz Schattenburg, pesquisador sênior e diretor do Laboratório de Nanotecnologia Espacial. "Essa é apenas uma maneira de aliviar o estresse em um único local do espelho, que pode dobrar o material."

Uma ideia da correção de espelhos espaciais

Desde 2017, a equipe do SNL trabalha com o Goddard Space Flight Center (GSFC) da NASA para desenvolver um processo para corrigir a distorção da forma dos espelhos do telescópio de raios-X causada pelo estresse do revestimento. A pesquisa se originou de um projeto de construção de espelhos de raios-X para o conceito de missão de telescópio de raios-X da próxima geração Lynx da NASA, que requer dezenas de milhares de espelhos de alta precisão. Devido à tarefa de focalizar os raios-X, os espelhos devem ser muito finos para coletar os raios-X com eficiência. No entanto, os espelhos perdem rigidez rapidamente à medida que são afinados, tornando-se facilmente distorcidos pelo estresse de seus revestimentos refletivos - uma camada de irídio de nanômetros de espessura revestida na parte frontal com o objetivo de refletir os raios-X.