为太空望远镜开发的金涂层技术保护奥斯卡奖杯“不褪色”

美国电影艺术与科学学院奖也就是众所周知的美国奥斯卡电影金像奖的颁奖典礼，或许是人们认为最不可能用到美国国家航空航天局（NASA）技术的地方。但是，实际上，NASA的技术已经在好莱坞迷人的红毯上产生了影响：电影艺术领域最迷人的奥斯卡小金人奖杯采用了与观测遥远银河系的太空望远镜所用技术相同的金涂层技术。

在太空任务中，金由于具有独特的性质而获得了重要应用。例如，其具有良好的红外反射特性，而红外光有助于探测遥远的天体。此外，金是化学惰性的，几乎不会被氧化，这意味着其与铝及其它大多数金属不同，既不会褪色，也不会随着时间的流逝而发生变化。凭借金对于红外光的反射特性，其也可用于防止辐射热的吸收，这对于太空应用来说非常重要。戈达德空间飞行中心的物理学家吉姆·塔特尔（Jim Tuttle）说：“物体的光泽性越好、反射性越强，其从环境中吸收的热量就越少。”

凭借这些特性，金被大量应用在哈勃太空望远镜的继任者——詹姆斯·韦伯太空望远镜中，不仅应用在了其直径达6m的主镜面上，还应用在了冷却中红外仪器（MIRI）的冷却管道表面上。

该仪器由一台红外摄像机和中等分辨率光谱仪组成，将帮助天文学家探测和揭示柯伊伯带新生的恒星、彗星及其它天体的物理特性。但是，要完成这些任务，MIRI必须运行在6K左右的极低温度下。这是因为热量会以红外线的形式散发，为了探测从遥远太空发射而来的微弱的光信号，必须消除探测器周围所有的较强热信号的干扰。

詹姆斯·韦伯太空望远镜的大部分系统在40K的温度下运行。为了使MIRI仪器的温度降至6K，冷却管道在热交换器之间循环气体。管道的金涂层有助于防止循环气体从太空望远镜的其它部分吸收热量。

制备金涂层的最常用的方法是气相沉积法：在真空箱中将金属加热，直到其气化为气体，然后在物体的表面上沉积成薄的涂层。这种工艺可获得金涂层，但是也存在一些缺点。例如，金在气相沉积过程中会损失部分反射性能，这意味着生成的金涂层可能会吸收过多的热量。除此之外，金涂层还会变得非常易于损坏。戈达德空间飞行中心的工程师约翰·吉加克斯（John Gygax）说：“我们常常看到，一些人佩戴着镀金的饰品，但是几年后，当对其进行弯曲时，整个金涂层都会剥离、脱落。”反射性能的降低，以及涂层的脱落都会对敏感仪器的运行造成影响。

NASA的长期合作伙伴——艾普纳（Epner）技术公司是一家位于布鲁克林区的家族企业，业务涉及从珠宝到导弹部件等所有的镀金业务，已传承了3代。约翰·吉加克斯说：“该公司似乎是我们的最佳合作伙伴。该公司宣称，其金涂层永远都不会脱落。但是，我们对此有点怀疑。因此，我们要求他们证明这一点。而他们做到了。”该公司还宣称，其金涂层比气相沉积的金涂层具有更好的反射性能。再一次，戈达德空间飞行中心的研究人员希望他们能够确认这一点。这次，该公司向吉姆·塔特尔寻求帮助。吉姆·塔特尔是一名低温学研究人员，他设计了一种实验，证明了艾普纳公司的金涂层在詹姆斯·韦伯太空望远镜的极低运行温度条件下的反射性能也能达到要求。事实上，这种金涂层之所以能够获得良好的硬度和反射性能也得益于艾普纳公司在20多年前为NASA任务开展的研究工作。

艾普纳公司采用的电镀工艺称为“激光金”（LaserGold），因为该工艺最早被用于为激光部件涂覆金涂层。该公司自从20世纪70年代首颗静止轨道环境卫星（GOES）研制起就为NASA的航天器部件涂覆金涂层。

艾普纳公司的总裁大卫·艾普纳（David Epner）解释说：“在我们的系统中，将氰化金电解质溶液、一个阳极、需要涂覆金涂层的部件，以及阴极放置在电解槽中。直流电源驱动带正电荷的金离子流向带负电荷的阴极，获得一个电子后，还原为纯金。”采用这种工艺获得的金涂层已经比气相沉积法获得的金涂层具有更高的硬度和更好的反射性能，而目前，经过多年的研究，该金涂层技术的性能又获得了进一步提升。其中一项重要的改进是在20世纪90年代初实现的，当时NASA计划为火星轨道器的激光高度计（MOLA）涂覆金涂层，艾普纳公司开发出了在不降低金涂层强度的前提下提高反射性能的金涂层。该项合作案例刊登在《Spinoff 1997》报告中。

大约在同一时间，制造陆基望远镜——凯克望远镜的研究人员也计划在该望远镜的第二块红外镜上涂覆金涂层，需要较高的硬度以保证其能够无磨损地进行清洁。凯克望远镜由加州大学伯克利分校、劳伦斯伯克利国家实验室，以及加州理工学院建造，并不是NASA的项目，但是在NASA的推荐下采用了艾普纳公司的金涂层技术。

为了满足这些项目的需求，艾普纳公司调整了其拥有专利的工艺，以保证获得可能的最高反射率，同时具有纯金3倍的硬度。大卫·艾普纳解释说：“通常，当人们想提高金的硬度时，可以添加镍或钴使其变成合金。这种合金硬度很高，但是其反射率大幅下降。我们的目标是要制造出坚硬的纯金。该项技术的关键在于调整电流的强度，以获得排布更加紧密的原子。因为保持了金的纯度，所以其反射率仍然很高。”这种改进的工艺赢得了MOLA项目和凯克望远镜项目团队的认可，而后来，艾普纳公司也将其金涂层技术推广到了多个商业领域，服务于多个商业客户。

在医疗领域，艾普纳公司为博朗耳温枪的光导管制备了金涂层，也为前列腺增生激光切除手术使用的导管末端的旋转镜面制备了金涂层。在公共健康领域，艾普纳公司采用电解沉积法制造红外二氧化碳探测器。在国防领域，艾普纳公司的金涂层也获得了广泛的应用，包括为导弹制导系统的红外镜，以及“阿帕奇”和“眼镜蛇”直升机的红外干扰发射机制备了金涂层等。目前，该公司还在研究在雕塑和珠宝上应用其金涂层技术，例如，与利用镀金花边进行工艺品创作的设计师合作进行艺术品的设计等。

2016年，艾普纳公司在制造耐用、光滑的金涂层方面的声誉为其带来了一个新的客户：美国电影艺术与科学学院。大卫·艾普纳回忆说：“美国电影艺术与科学学院对于我们将提供的技术已经在太空中使用了30多年表示非常惊讶。”

据介绍，30多年来，奖杯制造商采用合金铸造奥斯卡小金人奖杯，然后在其上面涂覆金层。这些小金人奖杯由于工艺的缺陷，随着时间的推移，其金涂层会褪色，甚至脱落。大卫·艾普纳说：“美国电影艺术与科学学院经常看到获奖者将小金人奖杯送回来进行重新镀金。艾普纳公司也曾为收到的3尊小金人奖杯进行了金涂层的重新涂覆。美国电影艺术与科学学院与我们合作后，我们保证，小金人奖杯的金涂层将永远都不会脱落。事实上，我们将为小金人奖杯提供终生质保服务，终生免费为磨损的小金人重新涂覆金涂层。但这其实永远都不会发生。”(来源《NASA Spinoff 2018》)