太空對電子設備的考驗非常嚴酷。超越地球的保護磁場，衛星會受到宇宙射線和高能粒子的轟擊，這些無形的攻擊會逐漸損壞精密電路。隨著時間的推移，這些無形的打擊可能會導致數據損壞、元件損壞，並縮短航天器的壽命。為了克服這一挑戰，工程師通常會添加厚重的屏蔽，但這樣的額外重量會增加發射成本，並限制任務可攜帶的設備。現在，來自復旦大學的研究團隊提出了一個有趣的解決方案。他們使用一種薄且堅固的材料製造電子設備，使其在輻射影響下幾乎不受損害。經過測試，他們的原子薄通信系統不僅在軌道上運行了幾個月，預計在更惡劣的太空環境中也能持續數百年。
研究人員使用了二硫化鉬（MoS₂），這種化合物可以製作成只有一層原子厚的薄片，厚度約為 0.7 奈米。在這個尺度上，進入的輻射幾乎無法損壞材料。理論上，能量粒子可以穿過這樣薄的材料，而不會產生通常會破壞傳統硅晶片的缺陷。為了將這一想法變為現實，團隊首先在一個 4 英寸的晶圓上生長出一片大型均勻的單層 MoS₂。然後，他們從這個晶圓中製造出晶體管，即電子電路的基本組件。這些晶體管被組裝成一個完整的工作無線電頻率（RF）通信系統，運行在 12 到 18 千兆赫之間。更重要的是，該系統包括發射器和接收器，意味著它可以發送和接收類似於真正衛星所使用信號的數據。
在將任何設備送入太空之前，研究人員對電路在地球上進行了強度測試。他們用強烈的伽馬輻射轟擊這些設備，以模擬電子設備在軌道上所經歷的情況。然後，他們使用先進的成像工具詳細檢查材料。透射電子顯微鏡允許他們觀察原子結構。能量色散光譜分析檢查化學成分是否發生改變。拉曼光譜掃描了薄膜的多個點以檢測結構損壞。結果令人驚訝，原子薄層中並沒有明顯的結構或化學降解跡象。在電性方面，這些設備在輻射後幾乎保持了原來的性能。它們保持了超高的開關比，顯示出非常少的電流洩漏，並且功耗極低——這對於能源有限的航天器來說是一個重要特徵。
最終測試在太空進行。團隊將基於 MoS₂ 的通信系統發射到約 517 公里的低地球軌道。在為期九個月的時間內，該設備在惡劣的太空輻射環境中運行。研究人員指出：“值得注意的是，該系統在 9 個月的在軌運行後，傳輸數據的比特錯誤率（BER）保持在 10^-8 以下，顯示出顯著的輻射耐受性和長期穩定性。”作為演示，該系統成功以完美的清晰度傳輸和接收了復旦大學的校歌。此外，根據在軌收集的輻射數據和太空環境的模型，研究人員估計他們的系統可以在靜止軌道中存活多達 271 年，而那裡的輻射水平遠高於低地球軌道。
如果這些結果在未來的任務中得以驗證，原子薄電子設備可能會徹底改變航天器的設計。衛星可以不再依賴笨重的屏蔽，而是使用本身對輻射具備抗性的電路。這將減輕重量、降低發射成本，並釋放空間給科學儀器或通信載荷。更長壽命的電子設備還可以延長衛星、深空探測器和高軌道通信平台的使用壽命。然而，仍然存在一些挑戰。例如，當前系統展示了無線電頻率通信，但完整的航天器電子設備涉及許多其他組件，包括處理器、RAM 系統和電源管理單元。擴大生產規模，將 MoS₂ 與現有技術整合，以及在更長的任務中驗證其可靠性，將是接下來的重要步驟。該研究發表在《自然》期刊上。
