Beter begrip van plasmabron voor synthese van koolstofnanobuisjes

Onderzoekers hebben een inzicht ontwikkeld dat de productie van microscopisch kleine koolstofnanobuisjes zou kunnen vergemakkelijken, structuren die duizenden keren dunner zijn dan een mensenhaar dat in alles wordt gebruikt, van microchips tot sportartikelen en farmaceutische producten. Het onderzoek van wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) zou ervoor kunnen zorgen dat fabricage zo efficiënt mogelijk nanobuisjes vormt.

De bevindingen behoren tot recent onderzoek door wetenschappers die werkzaam zijn in het PPPL Laboratory for Plasma Nanosynthesis, dat baanbrekend onderzoek verricht naar lage-temperatuurplasma om de productie van nanobuisjes en andere nanodeeltjes te verbeteren. De zes jaar oude faciliteit heeft een gestage stroom aan inzichten ontwikkeld die die productie kunnen bevorderen.

Nanobuisjes worden gemeten in miljardsten van een meter en hun flexibiliteit en sterkte zijn opmerkelijk. In principe is hun treksterkte, of weerstand tegen breuk wanneer ze worden uitgerekt, 100 keer groter dan die van staaldraad van dezelfde grootte. Wetenschappers proberen hun begrip te vergroten van een veelgebruikte techniek waarbij elektriciteit wordt gebruikt om plasma te maken, dat vervolgens wordt gebruikt om nanobuisjes te maken.

Ingenieurs gebruiken elektrische stromen die bekend staan ​​als bogen om atomen van koolstof of ander materiaal te verdampen uit een positieve component die bekend staat als een anode. Eenmaal in gasvorm kunnen de vrijgekomen atomen samenhangen tot nanobuisjes en andere structuren die kunnen worden gebruikt in plaats van silicium in computerchips om de prestaties en energie-efficiëntie te verbeteren. Een beter begrip zou het productieproces betrouwbaarder kunnen maken en de kwaliteit van de nanobuisjes kunnen verhogen.

PPPL-fysici hebben een model geproduceerd dat aantoont dat de vorming van nanodeeltjes van verschillende factoren afhangt. Het model laat zien dat als de elektrische stroom overgaat van lage naar hoge sterkte, de verdampings- of ablatiesnelheid van de koolstofatomen ook overgaat van laag naar hoog. Deze bevinding is belangrijk omdat onderzoekers ablatie met een gematigd in plaats van snel tempo willen beheersen bij het uitvoeren van experimenten en het maken van nanodeeltjes voor de industrie.

De belangrijkste factor in de ablatiesnelheid is de afhankelijkheid van heliumgas op de achtergrond, dat de ruimte vult in een holle metalen kamer waarin de elektroden zijn ondergebracht. “Dit is de cruciale factor die bij eerdere modellen werd genegeerd”, zei voormalig PPPL-fysicus Alexander Khrabry, hoofdauteur van een paper waarin de bevindingen in Journal of Applied Physics​ “Het gas vangt de koolstofatomen op terwijl ze ableren en houdt ze dichtbij het oppervlak van de elektrode. De atomen vallen dan terug op de elektrode. Onder bepaalde omstandigheden is de flux tussen het gas en de elektroden hoog genoeg om tot de snelle overgang te leiden. van een lage ablatie tot een hoge, dat is niet wat we willen. “

In gerelateerd onderzoek hebben wetenschappers een nieuwe verklaring ontwikkeld voor de vorming van hotspots op een van de elektrische componenten die koolstof wegnemen om de nanobuisjes te helpen creëren. Wetenschappers dachten eerder dat de vlekken, die zich vormen bij de positief geladen component en de productie van nanobuisjes verstoren, het gevolg zijn van instabiliteiten in de stroom die naar de negatief geladen component stroomt, zoals een bliksem die van wolken naar de grond stroomt.

Het nieuwe onderzoek geeft aan dat de plekken ontstaan ​​door de manier waarop warmte zich binnen de anode verspreidt, wat betekent dat de eigenschappen van de anode helpen bepalen hoe en wanneer de hotspots worden gevormd. Hotspots kunnen het aantal koolstofatomen dat van het oppervlak van de anode verdampen, verminderen en dus het aantal nanobuisjes dat wordt gecreëerd. Een beter begrip van vlekvorming zou kunnen leiden tot inzichten in hoe deze kunnen worden verminderd of geëlimineerd.

Het proces werkt als volgt: warmte van het plasma stroomt binnen de anode en verdwijnt aan het oppervlak, waardoor een plek met hoge temperatuur ontstaat. Anode-eigenschappen die de warmtestroom bepalen, zijn daarom belangrijk voor de vlekvorming en de fabricage van nanobuisjes. De rol van de anode werd in het verleden over het hoofd gezien.

Een beter begrip van dergelijke fundamentele processen legt de basis voor toekomstige vorderingen.