Het combineren van grafeen en nanodiamanten voor betere microplasma-apparaten

Microplasma-apparaten zijn ongelooflijk veelzijdige hulpmiddelen voor het genereren en onderhouden van plasma’s op micro- en millimeterschalen. De nieuwste ontwikkelingen op het gebied van de nanotechnologie beloven nu dat hun toepassingsgebied nog verder zal worden uitgebreid, maar tot nu toe wordt deze vooruitgang tegengehouden door de beperkte stabiliteit van sommige nanostructuren bij de extreme temperaturen die nodig zijn om veel plasma’s in stand te houden.

In een recente studie gepubliceerd in Fundamentele plasmafysicaKJ Sankaran en collega’s van het CSIR Institute of Minerals and Materials Technology, Bhubaneswar, India, overwinnen deze uitdaging door vellen grafeen te versieren met stabielere nanodiamanten, dat wil zeggen diamanten met een diameter kleiner dan ongeveer 100 nm, waardoor ze veel meer kunnen verdragen. extreme omstandigheden.

Dit gecombineerde materiaal zou het gebruik van microplasma-apparaten kunnen uitbreiden naar een breed scala aan nuttige toepassingen, zoals het steriliseren en genezen van wonden, het analyseren van chemicaliën en het weergeven van afbeeldingen.

Twee vormen van koolstof

In een microplasma-apparaat wordt plasma gecreëerd door een sterk elektrisch veld op te wekken tussen een paar elektroden, waardoor elektronen worden verwijderd van de atomen en moleculen in de ruimte ertussen. Grafeen is in principe het ideale materiaal voor deze elektroden. Het bestaat uit 2D-platen van koolstofatomen en is nu uitgebreid bestudeerd sinds de eerste karakterisering ervan begin jaren 2000.

“Grafeen staat bekend om zijn eigenschappen, waaronder chemische stabiliteit en elektrische geleidbaarheid”, legt Sankaran uit. “Grafeen heeft echter een slechte levenslange stabiliteit in ernstige plasma-omgevingen.”

Een materiaal dat deze omstandigheden veel gemakkelijker verdraagt, is diamant: een vorm van koolstof met atomen gerangschikt in een stevig 3D-rooster. “Diamant staat bekend om zijn robuuste fysische en chemische eigenschappen en biedt betere stabiliteit voor apparaten voor elektronenemissie”, zegt Sankaran.

Als ze samen worden gecombineerd, zouden de eigenschappen van deze twee materialen veel beter geschikt zijn voor gebruik in microplasma-elektroden, maar zoals Sankaran uitlegt, is het integratieproces tot nu toe moeilijk gebleken. “Eerdere pogingen om diamant en grafeen te integreren gingen gepaard met complexe processen en hoge temperaturen”, zegt hij.

Naadloze integratie

In hun onderzoek presenteert het team van Sankaran een alternatieve benadering om deze twee vormen van koolstof zo naadloos mogelijk te integreren. Hun methode begint met het bestralen van een vel basismateriaal – meestal polyimide of een soortgelijk koolstofrijk polymeer – met een krachtige laser, waardoor de koolstofatomen zichzelf herschikken in grafeenvellen. Grafeen dat op deze manier wordt geproduceerd, wordt lasergeïnduceerd grafeen (LIG) genoemd.

“LIG presenteert zichzelf als de snelste en eenvoudigste methode voor het verkrijgen van grafeen van hoge kwaliteit met behulp van in de handel verkrijgbare en kosteneffectieve instrumenten”, legt Sankaran uit. “Maar hoewel LIG aanvankelijk veelbelovende resultaten liet zien voor microplasmaschermen, bleek het sneller te vergaan dan verwacht.”

Om dit verval te voorkomen, introduceerden de onderzoekers een volgende stap in het proces. Nadat ze de LIG hadden voorbereid, versierden ze het oppervlak met diamanten, elk slechts een paar nanometer breed.

Ze pasten deze stap toe met behulp van een “drop-casting” -techniek: dit omvatte het zaaien van de groei van diamanten nanokristallen in een koolstofrijke oplossing, het plaatsen van een klein druppeltje van de oplossing op het LIG-oppervlak en het laten drogen ervan. Wanneer deze op deze manier wordt toegepast, “is de nanodiamant niet alleen uniform, maar verbetert hij ook de kwaliteit van het grafeen”, zegt Sankaran.

Verbetering van de apparaatprestaties

Na het assembleren van het materiaal konden de onderzoekers eindelijk de prestaties ervan als kathode testen in een praktisch microplasma-apparaat. De resultaten waren ongelooflijk veelbelovend.

“De homogene vezelstructuur van grafeen ingebed met nanodiamanten vertoonde aanzienlijke stabiliteit in ruwe plasma-omgevingen”, zegt Sankaran. “Hierdoor kon het lange tijd als stabiele kathode dienen.”

Nu ze hun gemakkelijke en kosteneffectieve techniek hebben gedemonstreerd, hoopt het team van Sankaran nu dat deze binnenkort op grotere schaal kan worden toegepast voor het vervaardigen van microplasma-apparaten. Dit zou op zijn beurt in de niet al te verre toekomst een veel gemakkelijkere toegang kunnen bieden tot de talrijke voordelen ervan op het gebied van onderzoek, geneeskunde en mogelijk zelfs commerciële toepassingen.