為太空望遠鏡開發(fā)的金涂層技術保護奧斯卡獎杯“不褪色”

美國電影藝術與科學學院獎也就是眾所周知的美國奧斯卡電影金像獎的頒獎典禮，或許是人們認為最不可能用到美國國家航空航天局（NASA）技術的地方。但是，實際上，NASA的技術已經在好萊塢迷人的紅毯上產生了影響：電影藝術領域最迷人的奧斯卡小金人獎杯采用了與觀測遙遠銀河系的太空望遠鏡所用技術相同的金涂層技術。

在太空任務中，金由于具有獨特的性質而獲得了重要應用。例如，其具有良好的紅外反射特性，而紅外光有助于探測遙遠的天體。此外，金是化學惰性的，幾乎不會被氧化，這意味著其與鋁及其它大多數金屬不同，既不會褪色，也不會隨著時間的流逝而發(fā)生變化。憑借金對于紅外光的反射特性，其也可用于防止輻射熱的吸收，這對于太空應用來說非常重要。戈達德空間飛行中心的物理學家吉姆·塔特爾（Jim Tuttle）說：“物體的光澤性越好、反射性越強，其從環(huán)境中吸收的熱量就越少。”

憑借這些特性，金被大量應用在哈勃太空望遠鏡的繼任者——詹姆斯·韋伯太空望遠鏡中，不僅應用在了其直徑達6m的主鏡面上，還應用在了冷卻中紅外儀器（MIRI）的冷卻管道表面上。

該儀器由一臺紅外攝像機和中等分辨率光譜儀組成，將幫助天文學家探測和揭示柯伊伯帶新生的恒星、彗星及其它天體的物理特性。但是，要完成這些任務，MIRI必須運行在6K左右的極低溫度下。這是因為熱量會以紅外線的形式散發(fā)，為了探測從遙遠太空發(fā)射而來的微弱的光信號，必須消除探測器周圍所有的較強熱信號的干擾。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的大部分系統(tǒng)在40K的溫度下運行。為了使MIRI儀器的溫度降至6K，冷卻管道在熱交換器之間循環(huán)氣體。管道的金涂層有助于防止循環(huán)氣體從太空望遠鏡的其它部分吸收熱量。

制備金涂層的最常用的方法是氣相沉積法：在真空箱中將金屬加熱，直到其氣化為氣體，然后在物體的表面上沉積成薄的涂層。這種工藝可獲得金涂層，但是也存在一些缺點。例如，金在氣相沉積過程中會損失部分反射性能，這意味著生成的金涂層可能會吸收過多的熱量。除此之外，金涂層還會變得非常易于損壞。戈達德空間飛行中心的工程師約翰·吉加克斯（John Gygax）說：“我們常?？吹剑恍┤伺宕髦兘鸬娘椘?，但是幾年后，當對其進行彎曲時，整個金涂層都會剝離、脫落?！狈瓷湫阅艿慕档停约巴繉拥拿撀涠紩γ舾袃x器的運行造成影響。

NASA的長期合作伙伴——艾普納（Epner）技術公司是一家位于布魯克林區(qū)的家族企業(yè)，業(yè)務涉及從珠寶到導彈部件等所有的鍍金業(yè)務，已傳承了3代。約翰·吉加克斯說：“該公司似乎是我們的最佳合作伙伴。該公司宣稱，其金涂層永遠都不會脫落。但是，我們對此有點懷疑。因此，我們要求他們證明這一點。而他們做到了?！痹摴具€宣稱，其金涂層比氣相沉積的金涂層具有更好的反射性能。再一次，戈達德空間飛行中心的研究人員希望他們能夠確認這一點。這次，該公司向吉姆·塔特爾尋求幫助。吉姆·塔特爾是一名低溫學研究人員，他設計了一種實驗，證明了艾普納公司的金涂層在詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的極低運行溫度條件下的反射性能也能達到要求。事實上，這種金涂層之所以能夠獲得良好的硬度和反射性能也得益于艾普納公司在20多年前為NASA任務開展的研究工作。

艾普納公司采用的電鍍工藝稱為“激光金”（LaserGold），因為該工藝最早被用于為激光部件涂覆金涂層。該公司自從20世紀70年代首顆靜止軌道環(huán)境衛(wèi)星（GOES）研制起就為NASA的航天器部件涂覆金涂層。

艾普納公司的總裁大衛(wèi)·艾普納（David Epner）解釋說：“在我們的系統(tǒng)中，將氰化金電解質溶液、一個陽極、需要涂覆金涂層的部件，以及陰極放置在電解槽中。直流電源驅動帶正電荷的金離子流向帶負電荷的陰極，獲得一個電子后，還原為純金。”采用這種工藝獲得的金涂層已經比氣相沉積法獲得的金涂層具有更高的硬度和更好的反射性能，而目前，經過多年的研究，該金涂層技術的性能又獲得了進一步提升。其中一項重要的改進是在20世紀90年代初實現的，當時NASA計劃為火星軌道器的激光高度計（MOLA）涂覆金涂層，艾普納公司開發(fā)出了在不降低金涂層強度的前提下提高反射性能的金涂層。該項合作案例刊登在《Spinoff 1997》報告中。

大約在同一時間，制造陸基望遠鏡——凱克望遠鏡的研究人員也計劃在該望遠鏡的第二塊紅外鏡上涂覆金涂層，需要較高的硬度以保證其能夠無磨損地進行清潔。凱克望遠鏡由加州大學伯克利分校、勞倫斯伯克利國家實驗室，以及加州理工學院建造，并不是NASA的項目，但是在NASA的推薦下采用了艾普納公司的金涂層技術。

為了滿足這些項目的需求，艾普納公司調整了其擁有專利的工藝，以保證獲得可能的最高反射率，同時具有純金3倍的硬度。大衛(wèi)·艾普納解釋說：“通常，當人們想提高金的硬度時，可以添加鎳或鈷使其變成合金。這種合金硬度很高，但是其反射率大幅下降。我們的目標是要制造出堅硬的純金。該項技術的關鍵在于調整電流的強度，以獲得排布更加緊密的原子。因為保持了金的純度，所以其反射率仍然很高?！边@種改進的工藝贏得了MOLA項目和凱克望遠鏡項目團隊的認可，而后來，艾普納公司也將其金涂層技術推廣到了多個商業(yè)領域，服務于多個商業(yè)客戶。

在醫(yī)療領域，艾普納公司為博朗耳溫槍的光導管制備了金涂層，也為前列腺增生激光切除手術使用的導管末端的旋轉鏡面制備了金涂層。在公共健康領域，艾普納公司采用電解沉積法制造紅外二氧化碳探測器。在國防領域，艾普納公司的金涂層也獲得了廣泛的應用，包括為導彈制導系統(tǒng)的紅外鏡，以及“阿帕奇”和“眼鏡蛇”直升機的紅外干擾發(fā)射機制備了金涂層等。目前，該公司還在研究在雕塑和珠寶上應用其金涂層技術，例如，與利用鍍金花邊進行工藝品創(chuàng)作的設計師合作進行藝術品的設計等。

2016年，艾普納公司在制造耐用、光滑的金涂層方面的聲譽為其帶來了一個新的客戶：美國電影藝術與科學學院。大衛(wèi)·艾普納回憶說：“美國電影藝術與科學學院對于我們將提供的技術已經在太空中使用了30多年表示非常驚訝。”

據介紹，30多年來，獎杯制造商采用合金鑄造奧斯卡小金人獎杯，然后在其上面涂覆金層。這些小金人獎杯由于工藝的缺陷，隨著時間的推移，其金涂層會褪色，甚至脫落。大衛(wèi)·艾普納說：“美國電影藝術與科學學院經?？吹将@獎者將小金人獎杯送回來進行重新鍍金。艾普納公司也曾為收到的3尊小金人獎杯進行了金涂層的重新涂覆。美國電影藝術與科學學院與我們合作后，我們保證，小金人獎杯的金涂層將永遠都不會脫落。事實上，我們將為小金人獎杯提供終生質保服務，終生免費為磨損的小金人重新涂覆金涂層。但這其實永遠都不會發(fā)生?！?來源《NASA Spinoff 2018》)