当我第一次了解到一种叫做碳化硅的材料时，它让我大开眼界。它是最坚硬的合成材料之一，几乎与金刚石一样坚硬，且难以腐蚀。它的内部结构可以呈现 200 多种不同的晶体类型。而真正酷炫之处在于：在大气压下，它永远不会熔化——当温度达到 2,700 摄氏度时，它会跳过液态，直接从固态变为气态蒸汽。
当我攻读加州大学伯克利分校机械工程博士学位时，我接触到了碳化硅，其非凡的特性让我迷上了材料科学。我受到启发，开始研究使用这种奇特材料制造电子产品的挑战和机遇。
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只有在获得博士学位后，我才了解到碳化硅不仅在地球上坚硬——它还能承受太空中发现的许多极端条件：辐射、太空尘埃、极端温度和失重。宇宙辐射——高能粒子，如质子、电子和中子——会降低大多数电子设备的性能。但碳化硅对宇宙射线的敏感度比硅低 60%。而且，大多数材料无法承受极端温度，例如，炙热的金星或寒冷的土星，更不用说在如此极端温度之间摇摆不定了。但碳化硅可以。
意识到碳化硅可能具有在太空中工作的合适特性，这为我的职业生涯确定了方向，我的职业生涯将材料研究与太空探索相结合。我对太空如何影响材料以及材料在太空中的性能着迷。如今，我设计用于太空任务的电子设备，并研究在轨道上培育材料如何改进它们。
我的大部分工作都集中在金星上。它是我们最近的邻居，但人类只匆匆一瞥了金星表面的少量彩色全景图像，这些图像是在 1982 年苏联的一次任务中拍摄的。科学家们推测，数十亿年前，金星看起来像地球，有流动的液态水和较为凉爽的气候。如今，它的表面温度高达 475 摄氏度，足以熔化铅。大气层中充满了二氧化碳和二氧化硫，硫酸雨云笼罩着天空。金星表面的压力令人窒息——是地球的 90 多倍——类似于您在地球海面以下一英里处遇到的压力。
我希望在我有生之年，能看到一个金星着陆器任务，它可以收集有关表面温度和天气模式的动态数据。美国国家航空航天局 (NASA) 曾提议进行为期 60 天的任务，以从金星表面获取一系列测量数据，但该机构尚不知道如何建造必要的仪器。在我在斯坦福大学的极端环境微系统实验室 (XLab)，我的学生和我正在构建微小但坚固的电子设备，旨在经受住金星将抛给它们的任何挑战。
黛比·G·塞内斯基在斯坦福大学工程学院运营极端环境微系统实验室 (XLab)。图片来源：斯宾塞·洛厄尔
金星的高温是最大的障碍之一。在那种高温下，许多材料会直接熔化。即使它们没有熔化，它们的弹性和其他特性也可能会发生变化，而且很难预测这些变化将如何影响材料的功能。例如，如果您的手机降落在金星上，热能会引发大量的电子活动，并使您的设备出现故障。
手机（以及我们大多数日常电子产品）都依赖半导体材料，主要是硅。这些材料通常在顶部铺设金属电极层。但当它们变得太热时，金属会扩散到半导体材料中，并将其变成不良合金，从而改变材料的机械和电气特性。
这就是碳化硅发挥作用的地方。它和我研究的另一种材料氮化镓是普通硅的良好替代品。氮化镓通常用于电力电子、高频电子和蓝色 LED。这两种材料都具有类似硅的半导体特性，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，电子需要大量能量才能达到这些材料中导电所需的水平，因此即使在高温下，它们也能保持正常的导电性。氮化镓在电气上可以在高于 1,000 摄氏度的温度下正常工作。
在斯坦福纳米制造设施的洁净室中，我的学生和我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，持续六天。六天没有 60 天那么长，60 天是 NASA 计划的金星任务的长度，但这比 30 年前苏联进行的两个小时的任务要长得多，所以我们正朝着正确的方向前进。
有时，我们会将我们的电子元件进一步置于 NASA 克利夫兰格伦极端环境试验台中的金星完整模拟化学体验中。我的一些实验使用了这个设施，体验了 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进行这种酸性化学实验，但我很高兴 NASA 这样做。
尽管碳化硅和氮化镓在制造超强韧性电子产品方面前景广阔，但它们在地球上难以制造，而且存在许多缺陷——我们在这里只能制造出小晶圆。然而，在太空中情况可能会有所不同，因为在太空中，几种基于重力的现象的缺失应该使我们能够更快地培育出更大、更均匀的晶体和其他材料。
在地球上，重力限制了我们赖以构建半导体和其他材料的物理原理。在没有重力的情况下制造材料提供了一种自由。为了理解这种差异，请考虑地球上的一杯土耳其咖啡。在重力将细咖啡渣拖到杯子底部后，您可以从顶部喝到不浑浊的咖啡。但在太空的微重力环境中，土耳其咖啡渣会均匀地漂浮在整个杯子中，宇航员喝一口就会满嘴细小颗粒。当然，这对于喝咖啡来说很不方便，但对于其他用途来说却是有益的。当物质均匀地悬浮在流体中时（就像在太空中一样），我们可以设计出具有更均匀特性的材料，并且可以更快地完成。
具有各种高温氮化镓电子器件的芯片可能可以在金星的极端条件下使用。图片来源：斯宾塞·洛厄尔
微重力环境中不存在的另一个限制因素是浮力。在地球上，气泡和其他比水轻的物质会向上漂浮到液体中。当您在地面上合成材料时，浮力会阻止两种物质均匀混合。但在微重力环境中，气泡的重量与水相同，不会上升到表面，因此水和空气可以更好地混合。
热对流——流体或气体中由温度变化引起的粒子运动，会扰乱材料合成并损害最终产品的质量——是另一种不会在微重力环境中发生的过程。因此，在微重力环境中制造的材料没有对流，缺陷更少。
大约五年前，当我受邀参加一个关于太空纳米材料制造的研讨会时，我第一次对在轨道上培育材料产生了兴趣。我对这个主题没有太多专业知识，但这次活动激起了我的兴趣。研讨会结束后，发出了在国际空间站 (ISS) 上制造材料的提案征集，我立即抓住了这个机会。这次机会是由国家科学基金会和空间科学促进中心 (CASIS) 联合征集的，后者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。赶上进度感觉像是回到了我的研究生时代。有好几天，我熬夜阅读有关空间站过去工作的论文。我了解得越多，就越对在微重力环境中制造东西感到兴奋。这就像我脑海中亮起了一盏灯——我知道微重力是半导体和材料科学的新前沿。
在太空制造的材料不仅可能优于在地球上制造的材料，而且对于最终在太空中使用也可能是更可取的：在那里制造它们肯定比在地球上制造所有东西并用火箭将其运上去更方便。例如，当国际空间站的一名宇航员在 2014 年将一把扳手遗落在航天器的某个地方时，工程师们将第一个 3D 打印机设计上传到太空，并在那里为宇航员制造了一把替换扳手。
图片来源：Jen Christiansen
当我开始研究这个课题时，我不知道 NASA 科学家已经在太空中制造了半导体晶体。1992 年，NASA 在哥伦比亚号航天飞机上发射了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，这些材料可以以更高的清晰度传输激光和互联网信号。在赶上进度后，我致力于为太空设计自己的实验。其中一个挑战是弄清楚我在空间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，这可能很危险。国际空间站上的大多数设备都是为在较低、更安全的温度下运行的生物实验量身定制的。幸运的是，我和我的团队，空间站上有一台名为 SUBSA（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炉子。它可以达到 850 摄氏度——对于我们的目的来说足够热了。
我的合作者和我提出了在 SUBSA 炉中培育一种纳米材料——石墨烯气凝胶的想法，我们赢得了 NSF-CASIS 奖。
我们于 8 月 1 日乘坐诺斯罗普·格鲁曼公司 NG-19 火箭成功发射了我们的实验到国际空间站。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，宇航员将高压灭菌器装入 SUBSA 炉中，并将温度升至 180 摄氏度。在此过程中，里面的物质被转化为石墨烯水凝胶——基本上是石墨烯和水的混合物。这些样品现在已经回到了地面，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返地球大气层，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，在气凝胶中，水被空气取代。
石墨烯——一种以六边形结构键合的单原子厚碳片——比钢铁更坚固，并且具有导电性。当它以石墨烯气凝胶的形式存在时，它有点海绵状，并且具有使其可用于许多应用的特性：隔热、电池中的能量存储、环境保护材料、传感材料等等。
金属有机框架晶体的三个样品即将接受扫描电子显微镜检查。塞内斯基和她的团队计划在轨道上培育这些材料。图片来源：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，重力会扰乱薄片在变成凝胶的过程中连接在一起的方式。此外，该材料容易沉淀。石墨烯薄片会像土耳其咖啡渣一样沉到容器底部。这种不平衡会导致气凝胶的导电性不均匀，从而产生热点和故障。
但我的学生和我预计，在国际空间站上，薄片将自由漂浮。我们预测，当沉淀和浮力不再起作用时，我们将最终得到更均匀的结构和均匀的特性。例如，最终产品可能能够更均匀地在某个区域隔热。此外，我们的气凝胶可以用作具有更规则电流密度的电极，从而消除热点。我们预计，使用这种太空材料设计的电池将运行更可靠。普通的金属电极在经历充放电循环时会膨胀；它们会断裂和破裂。海绵状石墨烯气凝胶减少了这些潜在的破损。
现在我们的有效载荷已从太空返回，我们将研究我们生产的气凝胶的结构。我们将测量其机械、热学和电气特性，并将它们与在地面上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培育的气凝胶的微观结构中看到有趣的形状形成。当我用扫描电子显微镜放大观察传统石墨烯气凝胶时，其结构看起来非常多孔和曲折，并且薄片是随机结合在一起的。我想知道我们是否会在微重力环境下制成的样品中看到更周期性的结构，更可重复的结构。
如果这些太空制造的气凝胶确实生长得更均匀，并且比地面生产的同类产品性能更好，那么它们可能成为未来航天器的传感器、电池和隔热材料的构建模块。
我们在国际空间站上的实验仅仅是一个开始。我们希望它将有助于表明我们可以在微重力环境下制造出性能更优异的材料。接下来，我们将培育更多种在地球上合成具有挑战性或不可能合成的材料。我们最新的研究计划侧重于在长期微重力环境下培育金属有机框架晶体。除了发现新材料外，我们还需要扩大实验规模，并将我们制造的材料集成到实际产品中，以便在地球上使用。我们发送到空间站的容器直径仅为 5 毫米。如果我们想生产用于实际用途的更大材料，我们最终将不得不超越国际空间站，转向专门用于生产的空间站，例如计划于 2020 年代后期推出的自由飞行商业空间站之一。
我很惊讶没有更多人对这种潜力感到兴奋。半导体行业的从业人员应该开始认真考虑在太空中大规模生产他们的产品。他们目前必须丢弃大量含有缺陷的材料。如果没有这些浪费，他们或许可以弥补在轨道上建造工厂的成本。我们可能会看到大规模生产的半导体具有比我们在地球上实现的更高的性能、可靠性和可扩展性。
随着商业航天工业的发展，我们很快将看到更频繁的任务和更多的人类在轨道上活动。工业界应该计划搭上这趟顺风车。太空工厂听起来可能像科幻小说，但我认为它们应该成为我们日常生活的一部分。我很高兴我的实验室的工作将有助于推动我们实现那个梦想。