當我第一次瞭解到一種叫做碳化矽的材料時，它讓我大開眼界。它是最堅硬的合成材料之一，幾乎與金剛石一樣堅硬，且難以腐蝕。它的內部結構可以呈現 200 多種不同的晶體型別。而真正酷炫之處在於：在大氣壓下，它永遠不會熔化——當溫度達到 2,700 攝氏度時，它會跳過液態，直接從固態變為氣態蒸汽。
當我攻讀加州大學伯克利分校機械工程博士學位時，我接觸到了碳化矽，其非凡的特性讓我迷上了材料科學。我受到啟發，開始研究使用這種奇特材料製造電子產品的挑戰和機遇。
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只有在獲得博士學位後，我才瞭解到碳化矽不僅在地球上堅硬——它還能承受太空中發現的許多極端條件：輻射、太空塵埃、極端溫度和失重。宇宙輻射——高能粒子，如質子、電子和中子——會降低大多數電子裝置的效能。但碳化矽對宇宙射線的敏感度比矽低 60%。而且，大多數材料無法承受極端溫度，例如，炙熱的金星或寒冷的土星，更不用說在如此極端溫度之間搖擺不定了。但碳化矽可以。
意識到碳化矽可能具有在太空中工作的合適特性，這為我的職業生涯確定了方向，我的職業生涯將材料研究與太空探索相結合。我對太空如何影響材料以及材料在太空中的效能著迷。如今，我設計用於太空任務的電子裝置，並研究在軌道上培育材料如何改進它們。
我的大部分工作都集中在金星上。它是我們最近的鄰居，但人類只匆匆一瞥了金星表面的少量彩色全景影像，這些影像是在 1982 年蘇聯的一次任務中拍攝的。科學家們推測，數十億年前，金星看起來像地球，有流動的液態水和較為涼爽的氣候。如今，它的表面溫度高達 475 攝氏度，足以熔化鉛。大氣層中充滿了二氧化碳和二氧化硫，硫酸雨雲籠罩著天空。金星表面的壓力令人窒息——是地球的 90 多倍——類似於您在地球海面以下一英里處遇到的壓力。
我希望在我有生之年，能看到一個金星著陸器任務，它可以收集有關表面溫度和天氣模式的動態資料。美國國家航空航天局 (NASA) 曾提議進行為期 60 天的任務，以從金星表面獲取一系列測量資料，但該機構尚不知道如何建造必要的儀器。在我在斯坦福大學的極端環境微系統實驗室 (XLab)，我的學生和我正在構建微小但堅固的電子裝置，旨在經受住金星將拋給它們的任何挑戰。
黛比·G·塞內斯基在斯坦福大學工程學院運營極端環境微系統實驗室 (XLab)。圖片來源：斯賓塞·洛厄爾
金星的高溫是最大的障礙之一。在那種高溫下，許多材料會直接熔化。即使它們沒有熔化，它們的彈性和其他特性也可能會發生變化，而且很難預測這些變化將如何影響材料的功能。例如，如果您的手機降落在金星上，熱能會引發大量的電子活動，並使您的裝置出現故障。
手機（以及我們大多數日常電子產品）都依賴半導體材料，主要是矽。這些材料通常在頂部鋪設金屬電極層。但當它們變得太熱時，金屬會擴散到半導體材料中，並將其變成不良合金，從而改變材料的機械和電氣特性。
這就是碳化矽發揮作用的地方。它和我研究的另一種材料氮化鎵是普通矽的良好替代品。氮化鎵通常用於電力電子、高頻電子和藍色 LED。這兩種材料都具有類似矽的半導體特性，但與矽不同，由於其寬電子帶隙和高原子結合能，它們還可以承受高溫和輻射。簡單來說，電子需要大量能量才能達到這些材料中導電所需的水平，因此即使在高溫下，它們也能保持正常的導電性。氮化鎵在電氣上可以在高於 1,000 攝氏度的溫度下正常工作。
在斯坦福納米制造設施的潔淨室中，我的學生和我製造了微小的氮化鎵電晶體。接下來，我們將它們帶到 XLab，在那裡我們使用專門的測試裝置將它們加熱到 470 攝氏度，持續六天。六天沒有 60 天那麼長，60 天是 NASA 計劃的金星任務的長度，但這比 30 年前蘇聯進行的兩個小時的任務要長得多，所以我們正朝著正確的方向前進。
有時，我們會將我們的電子元件進一步置於 NASA 克利夫蘭格倫極端環境試驗檯中的金星完整模擬化學體驗中。我的一些實驗使用了這個設施，體驗了 475 攝氏度的溫度以及金星上存在的二氧化硫和 90 巴的壓力。我不想在我的實驗室裡進行這種酸性化學實驗，但我很高興 NASA 這樣做。
盡管碳化矽和氮化鎵在製造超強韌性電子產品方面前景廣闊，但它們在地球上難以製造，而且存在許多缺陷——我們在這裡只能製造出小晶圓。然而，在太空中情況可能會有所不同，因為在太空中，幾種基於重力的現象的缺失應該使我們能夠更快地培育出更大、更均勻的晶體和其他材料。
在地球上，重力限制了我們賴以構建半導體和其他材料的物理原理。在沒有重力的情況下製造材料提供了一種自由。為了理解這種差異，請考慮地球上的一杯土耳其咖啡。在重力將細咖啡渣拖到杯子底部後，您可以從頂部喝到不渾濁的咖啡。但在太空的微重力環境中，土耳其咖啡渣會均勻地漂浮在整個杯子中，宇航員喝一口就會滿嘴細小顆粒。當然，這對於喝咖啡來說很不方便，但對於其他用途來說卻是有益的。當物質均勻地懸浮在流體中時（就像在太空中一樣），我們可以設計出具有更均勻特性的材料，並且可以更快地完成。
具有各種高溫氮化鎵電子器件的晶片可能可以在金星的極端條件下使用。圖片來源：斯賓塞·洛厄爾
微重力環境中不存在的另一個限制因素是浮力。在地球上，氣泡和其他比水輕的物質會向上漂浮到液體中。當您在地面上合成材料時，浮力會阻止兩種物質均勻混合。但在微重力環境中，氣泡的重量與水相同，不會上升到表面，因此水和空氣可以更好地混合。
熱對流——流體或氣體中由溫度變化引起的粒子運動，會擾亂材料合成並損害最終產品的質量——是另一種不會在微重力環境中發生的過程。因此，在微重力環境中製造的材料沒有對流，缺陷更少。
大約五年前，當我受邀參加一個關於太空奈米材料製造的研討會時，我第一次對在軌道上培育材料產生了興趣。我對這個主題沒有太多專業知識，但這次活動激起了我的興趣。研討會結束後，發出了在國際空間站 (ISS) 上製造材料的提案徵集，我立即抓住了這個機會。這次機會是由國家科學基金會和空間科學促進中心 (CASIS) 聯合徵集的，後者負責管理空間站和在那裡進行的研究。
在那之前，我只知道如何在地球上製造東西。趕上進度感覺像是回到了我的研究生時代。有好幾天，我熬夜閱讀有關空間站過去工作的論文。我瞭解得越多，就越對在微重力環境中製造東西感到興奮。這就像我腦海中亮起了一盞燈——我知道微重力是半導體和材料科學的新前沿。
在太空製造的材料不僅可能優於在地球上製造的材料，而且對於最終在太空中使用也可能是更可取的：在那裡製造它們肯定比在地球上製造所有東西並用火箭將其運上去更方便。例如，當國際空間站的一名宇航員在 2014 年將一把扳手遺落在航天器的某個地方時，工程師們將第一個 3D 印表機設計上傳到太空，並在那裡為宇航員製造了一把替換扳手。
圖片來源：Jen Christiansen
當我開始研究這個課題時，我不知道 NASA 科學家已經在太空中製造了半導體晶體。1992 年，NASA 在哥倫比亞號太空梭上發射了第一個美國微重力實驗室，宇航員在那裡生產了兩種名為砷化鎵的材料晶體。最近，科學家們在太空中製造了光纖電纜材料，這些材料可以以更高的清晰度傳輸雷射和網際網路訊號。在趕上進度後，我致力於為太空設計自己的實驗。其中一個挑戰是弄清楚我在空間站上可以使用哪些工具。製造半導體晶體或材料通常需要高溫，這可能很危險。國際空間站上的大多數裝置都是為在較低、更安全的溫度下執行的生物實驗量身定製的。幸運的是，我和我的團隊，空間站上有一臺名為 SUBSA（密封安瓿中使用擋板進行凝固）的小型機器，類似於您在半導體潔淨室中看到的爐子。它可以達到 850 攝氏度——對於我們的目的來說足夠熱了。
我的合作者和我提出了在 SUBSA 爐中培育一種奈米材料——石墨烯氣凝膠的想法，我們贏得了 NSF-CASIS 獎。
我們於 8 月 1 日乘坐諾斯羅普·格魯曼公司 NG-19 火箭成功發射了我們的實驗到國際空間站。我們傳送了一個小型高壓滅菌器——一種產生高溫和高壓的機器——裡面裝滿了水和氧化石墨烯薄片，我們將其用作起始成分。到達後，宇航員將高壓滅菌器裝入 SUBSA 爐中，並將溫度升至 180 攝氏度。在此過程中，裡面的物質被轉化為石墨烯水凝膠——基本上是石墨烯和水的混合物。這些樣品現在已經回到了地面，於 9 月 4 日透過 SpaceX 的 Crew-6 任務返回。想到我們的實驗產品與四名宇航員一起重返地球大氣層，真是令人興奮。現在我們計劃將樣品乾燥，將水凝膠變成氣凝膠，在氣凝膠中，水被空氣取代。
石墨烯——一種以六邊形結構鍵合的單原子厚碳片——比鋼鐵更堅固，並且具有導電性。當它以石墨烯氣凝膠的形式存在時，它有點海綿狀，並且具有使其可用於許多應用的特性：隔熱、電池中的能量儲存、環境保護材料、感測材料等等。
金屬有機框架晶體的三個樣品即將接受掃描電子顯微鏡檢查。塞內斯基和她的團隊計劃在軌道上培育這些材料。圖片來源：斯賓塞·洛厄爾
當我們在地球上的 XLab 中製造石墨烯氣凝膠時，重力會擾亂薄片在變成凝膠的過程中連線在一起的方式。此外，該材料容易沉澱。石墨烯薄片會像土耳其咖啡渣一樣沉到容器底部。這種不平衡會導致氣凝膠的導電性不均勻，從而產生熱點和故障。
但我的學生和我預計，在國際空間站上，薄片將自由漂浮。我們預測，當沉澱和浮力不再起作用時，我們將最終得到更均勻的結構和均勻的特性。例如，最終產品可能能夠更均勻地在某個區域隔熱。此外，我們的氣凝膠可以用作具有更規則電流密度的電極，從而消除熱點。我們預計，使用這種太空材料設計的電池將執行更可靠。普通的金屬電極在經歷充放電迴圈時會膨脹；它們會斷裂和破裂。海綿狀石墨烯氣凝膠減少了這些潛在的破損。
現在我們的有效載荷已從太空返回，我們將研究我們生產的氣凝膠的結構。我們將測量其機械、熱學和電氣特性，並將它們與在地面上製造的氣凝膠的特性進行比較。例如，我很好奇我們是否會在太空培育的氣凝膠的微觀結構中看到有趣的形狀形成。當我用掃描電子顯微鏡放大觀察傳統石墨烯氣凝膠時，其結構看起來非常多孔和曲折，並且薄片是隨機結合在一起的。我想知道我們是否會在微重力環境下製成的樣品中看到更週期性的結構，更可重複的結構。
如果這些太空製造的氣凝膠確實生長得更均勻，並且比地面生產的同類產品效能更好，那麼它們可能成為未來航天器的感測器、電池和隔熱材料的構建模組。
我們在國際空間站上的實驗僅僅是一個開始。我們希望它將有助於表明我們可以在微重力環境下製造出效能更優異的材料。接下來，我們將培育更多種在地球上合成具有挑戰性或不可能合成的材料。我們最新的研究計劃側重於在長期微重力環境下培育金屬有機框架晶體。除了發現新材料外，我們還需要擴大實驗規模，並將我們製造的材料整合到實際產品中，以便在地球上使用。我們傳送到空間站的容器直徑僅為 5 毫米。如果我們想生產用於實際用途的更大材料，我們最終將不得不超越國際空間站，轉向專門用於生產的空間站，例如計劃於 2020 年代後期推出的自由飛行商業空間站之一。
我很驚訝沒有更多人對這種潛力感到興奮。半導體行業的從業人員應該開始認真考慮在太空中大規模生產他們的產品。他們目前必須丟棄大量含有缺陷的材料。如果沒有這些浪費，他們或許可以彌補在軌道上建造工廠的成本。我們可能會看到大規模生產的半導體具有比我們在地球上實現的更高的效能、可靠性和可擴充套件性。
隨著商業航天工業的發展，我們很快將看到更頻繁的任務和更多的人類在軌道上活動。工業界應該計劃搭上這趟順風車。太空工廠聽起來可能像科幻小說，但我認為它們應該成為我們日常生活的一部分。我很高興我的實驗室的工作將有助於推動我們實現那個夢想。