science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Model helpt bij inspanningen om de kosten van koolstofnanostructuren voor de industrie te verlagen, Onderzoek

In onderzoek bij Purdue, een simulatietechniek kan helpen om de kosten van koolstofnanostructuren voor onderzoek en commerciële technologieën te verlagen, inclusief geavanceerde sensoren en batterijen. Deze grafieken laten zien hoe het opnemen van een "diëlektrische pilaar" het productieproces kan beïnvloeden. Credit:Purdue University-afbeelding / Gayathri Shivkumar en Siva Tholeti

Een onderzoeksteam van Purdue University heeft een simulatietechniek ontwikkeld als onderdeel van een project om de kosten van koolstofnanostructuren voor onderzoek en potentiële commerciële technologieën te helpen verlagen, inclusief geavanceerde sensoren en batterijen.

Koolstof nanostructuren zoals nanobuisjes, "nanopetals" en ultradunne platen van grafiet, grafeen genaamd, kunnen een breed scala aan toepassingen vinden in engineering en biowetenschappen. Door de snelle toename van het gebruik in de afgelopen tien jaar, onderzoekers werken aan de ontwikkeling van een massaproductiesysteem om hun kosten te verlagen. De nanostructuren worden vervaardigd met een methode die plasma-enhanced chemical vapour deposition (CVD) wordt genoemd.

Bij nieuwe bevindingen onderzoekers hebben een model ontwikkeld om te simuleren wat er gebeurt in de CVD-reactorkamer om de omstandigheden te optimaliseren voor een snelle en milieuvriendelijke omzetting van grondstoffen, zoals methaan en waterstof, in koolstofnanoblaadjes en andere structuren.

"Er is een zeer complexe mix van fenomenen, plasmaabsorptie van microgolfmacht, warmteoverdracht tussen plasma en gas en, uiteindelijk, de chemie van het reagerende gasmengsel dat de nanostructuren creëert, " zei Alina Alexeenko, een universitair hoofddocent aan de School of Aeronautics and Astronautics die het modelleringswerk leidt. "De modellering zou ons in staat kunnen stellen om minder vallen en opstaan ​​te doen bij het zoeken naar omstandigheden die precies goed zijn om nanostructuren te creëren."

De bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een paper dat online is gepubliceerd in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde . Het was het uitgelichte artikel van de gedrukte editie van 21 maart van het tijdschrift.

De nanopetals zijn veelbelovend als sensor voor het detecteren van glucose in het speeksel of tranen en voor "supercondensatoren" die snel opladen mogelijk zouden kunnen maken, krachtige batterijen. Echter, om het materiaal op de markt te brengen, moeten onderzoekers een manier vinden om het tegen lage kosten in massa te produceren.

De onderzoekers gebruikten een techniek genaamd optische emissiespectroscopie om de temperatuur van waterstof in het plasma te meten en te vergelijken met het modelleringsresultaat. Bevindingen toonden aan dat het model overeenkomt met experimentele gegevens.

"Dr. Alexeenko en haar studenten waren in staat om de essentie van fysieke processen vast te leggen die wij, als experimentatoren, aanvankelijk gedacht dat het te moeilijk zou zijn om te modelleren, " zei Timothy Fisher, de James G. Dwyer hoogleraar werktuigbouwkunde. "Maar nu we het proces kunnen simuleren, we zullen eerst op de computer kunnen kijken naar de set van voorwaarden die het proces verbeteren om de volgende experimenten in het lab te begeleiden."

Het onderzoek maakt deel uit van een Purdue-project dat wordt gefinancierd door de National Science Foundation. Het richt zich op het creëren van een nanoproductiemethode die in staat is tot massaproductie tegen lage kosten. De onderliggende technologie is ontwikkeld door een onderzoeksgroep onder leiding van Fisher. Het bestaat uit verticale nanostructuren die lijken op kleine rozenblaadjes gemaakt van grafeen die in massa kunnen worden geproduceerd met behulp van roll-to-roll fabricage, een steunpilaar van vele industriële activiteiten, inclusief papier- en plaatwerkproductie.

De nieuwe bevindingen toonden aan dat de productie van de nanostructuren wordt verbeterd en versneld door de vorming van "verticale diëlektrische pijlers" in de CVD-reactor.

"De implicatie is dat we beter begrijpen wat het effect van deze pijlers is en dit effect op andere manieren zullen reproduceren in het grootschalige roll-to-roll-systeem dat Dr. Fisher al heeft gebouwd, "Zei Alexeenko. "De simulaties kwantificeren het effect van de pijler en andere parameters, zoals kracht en druk, op plasmaverbetering."

De Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde paper is geschreven door afgestudeerde studenten Gayatri Shivkumar, Siva Sashank Tholeti en Majed Alrefae; Visser; en Alexeenko.

Veel van het onderzoek is gebaseerd op het Birck Nanotechnology Centre in Purdue's Discovery Park en maakt deel uit van een koud plasma-team onder het vooraanstaande teaminitiatief van Purdue College of Engineering.

"De volgende en voortdurende stap in dit onderzoek is het toepassen van de modellering op roll-to-roll voor grootschalige productie van nanopetals, "Zei Alexeenko. "Ook, het optimaliseren van de reactoromstandigheden voor energie-efficiëntie en milieueffecten om de productie van giftige chemicaliën te minimaliseren."