nanodeeltjes, supersterke en flexibele structuren zoals koolstofnanobuisjes die worden gemeten in miljardsten van een meter - een diameter die duizenden keren dunner is dan een mensenhaar - worden in alles gebruikt, van microchips tot sportartikelen tot farmaceutische producten. Maar grootschalige productie van hoogwaardige deeltjes staat voor uitdagingen, variërend van het verbeteren van de selectiviteit van de synthese die ze creëert en de kwaliteit van het gesynthetiseerde materiaal tot de ontwikkeling van economische en betrouwbare syntheseprocessen.

Echter, deze situatie zou kunnen veranderen als gevolg van onderzoek aan het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), waar wetenschappers de diagnostische hulpmiddelen hebben ontwikkeld die worden gebruikt om een ​​beter en geïntegreerd begrip van op plasma gebaseerde synthese te bevorderen - een veelgebruikt maar slecht begrepen hulpmiddel voor het maken van nanostructuren. PPPL wetenschappers en medewerkers schetsen, in verschillende gepubliceerde artikelen, recent onderzoek dat zou kunnen helpen bij het ontwikkelen van beheersbare en selectieve fabricage van nanomaterialen met voorgeschreven structuren. Dergelijk fundamenteel onderzoek zou de weg kunnen banen naar vooruitgang in de productie in verschillende industrieën.

Unieke waarnemingen

De artikelen rapporteren unieke waarnemingen van de synthese in koolstofplasma gegenereerd door een elektrische boog in situ, of als het proces zich ontvouwt. Onderzoekers creëren de plasmaboog tussen twee koolstofelektroden, het produceren van een hete koolstofdamp bestaande uit atoomkernen en moleculen die afkoelen en synthetiseren - of condenseren - tot deeltjes die uitgroeien tot nanostructuren door samen te bundelen.

Directe observatie heeft geleid tot "een grote stap voorwaarts in het begrijpen hoe koolstofnanodeeltjes groeien in plasma gegenereerd door boog, " zei natuurkundige Yevgeny Raitses, hoofd van het Laboratorium voor Plasma Nanosynthese bij PPPL. "Het idee is nu om experimentele resultaten te combineren met computermodellering voor een betere controle van het proces en om wat we leren toe te passen op andere soorten nanomaterialen en de synthese van nanomaterialen."

Hieronder volgt een blik op drie artikelen die baanbrekend zijn in het ontrafelen van het slecht begrepen boogsyntheseproces. Ondersteuning voor dit werk komt van het DOE Office of Science.

Voorlopers opsporen die nanobuisjes worden

Aan de huidige kennis ontbreekt een gedetailleerd begrip van de voorlopers van nanobuisjes die tijdens de synthese uit de damp worden gevormd. Dit vormt een belangrijke uitdaging voor het voorspellen van het mechanisme voor nanosynthese met een koolstofplasmaboog.

Licht werpen op dit proces zijn nieuwe ontdekkingen bij PPPL. Onderzoek onder leiding van natuurkundige Vladislav Vekselman en gerapporteerd in het tijdschrift Plasma Sources Science and Technology toont aan dat wat de synthese van koolstofnanobuisjes in een elektrische boog van puur koolstof regelt, moleculaire voorlopers zijn die "dimeren" bevatten - moleculen gevormd door twee koolstofatomen.

Deze bevinding opent de deur naar verbeterde voorspellende modellering van nanosynthese in koolstofbogen. "Dit is de eerste keer dat een laser-geïnduceerde diagnostische techniek is toegepast op dit type synthese, " Zei Vekselman. "We weten nu waar en hoeveel precursor wordt gevormd in koolstofboogmateriaal."

Deze bevindingen worden ondersteund door simulaties van koolstofboogsynthese uitgevoerd door PPPL-natuurkundige Alexander Khrabry. "Onze modellen zijn gebaseerd op de onderliggende fysica van verdamping, condensatie en de vorming van nanostructuren, " zei natuurkundige Igor Kaganovich, plaatsvervangend hoofd van de afdeling PPPL Theorie. "We passen dit toe op resultaten van de in-situ-experimenten om voorspellingen te ontwikkelen die kunnen worden getest met verdere experimenten."

Dergelijke voorspellende modellen beginnen vooruitgang te boeken. "Het hebben van in situ metingen terwijl de synthese plaatsvindt, is een zeer waardevol hulpmiddel bij het begrijpen en modelleren, " zei Brent Stratton, hoofd van de diagnostische afdeling van PPPL en adjunct-directeur van de afdeling Plasma Science and Technology (PS&T) waarin het nanosyntheselaboratorium is gevestigd. "Wat dit project laat zien, is de gecombineerde waarde van experimenten en modellering voor een beter begrip van plasmaboogsynthese."

Groei van nanodeeltjes detecteren

Om een ​​dergelijk begrip te bevorderen, onderzoekers moeten de productie van deeltjes in groottes van nanometers tot op atomaire schaal volgen. PPPL-onderzoek heeft nu een unieke tafellasertechniek ontwikkeld en gedemonstreerd voor in situ detectie van nanodeeltjesgroei. "Deze op maat gemaakte diagnose helpt bij het oplossen van de puzzel van plasmaboog-nanosynthese, " zei natuurkundige Alexandros Gerakis van PPPL, die de techniek heeft ontworpen en hoofdauteur is van de beschrijving ervan in het tijdschrift Physical Review Applied. "Er was voorheen geen goede manier om het proces te monitoren."

De nieuwe methode, afgeleid van een voorspelling van Mikhail Shneider van Princeton University, detecteert deeltjes die in en uit de elektrische boog stromen. De techniek neemt deeltjes waar van zo'n vijf nanometer groot, en kan ook worden gebruikt om materialen te meten die zijn gemaakt door andere vormen van nanosynthese. Een dergelijke in-situ meting van nanodeeltjes tijdens synthese van grote volumes zou het begrip van de mechanismen achter de groei van nanodeeltjes kunnen bevorderen.

Waarom sommige synthese fout gaat

Een van de meest veelbelovende soorten nanomaterialen zijn enkelwandige koolstofnanobuizen die koolstofboogontladingen op industriële schaal kunnen produceren. Maar een belangrijk nadeel van deze methode is de onzuiverheid van veel van het gesynthetiseerde nanomateriaal, waaronder een mix van nanobuisjes, koolstofroet en willekeurige koolstofdeeltjes

Een belangrijke oorzaak van deze nadelen is het onstabiele gedrag van koolstofbogen, PPPL heeft gevonden. Dergelijk gedrag creëert twee productiewijzen, die het laboratorium "synthesis-on, "voor pure nanobuisfabricage, en "synthese-off, " voor onzuivere resultaten. "De synthese in plasmabogen is 20 procent aan en 80 procent uit, " zei natuurkundige Shurik Yatom, hoofdauteur van de resultaten gepubliceerd in het tijdschrift Koolstof .

Bij deze experimenten Yatom gebruikte een conventionele boogsynthesetechniek en vulde een van de twee elektroden - een "anode" genoemd - met grafietpoeder en een katalysator en ontdekte dat de synthese grillig was, schakelen tussen de dominante synthese-uit-modus en de veel minder gebruikelijke synthese-aan-modus. Snelle camerabeelden, elektrische kenmerken en emissiespectra toonden aan dat de boog de inhoud van de anode direct in de synthese-aan-modus aangreep, maar oscilleerde rond de holle anode in de synthese-uit-modus en was niet in staat om te interageren met het poedervormige grafiet en de katalysator binnenin.

Het team bouwde ook een sondeerapparaat om het gesynthetiseerde product selectief tussen de twee modi te verzamelen. Het evalueren van de gesynthetiseerde nanomaterialen was Rachel Selinsky van Princeton University, die ontdekten dat de overgrote meerderheid van de nanobuisjes werd verzameld tijdens de "synthese-aan" -modus.

De bevindingen onthulden de noodzaak om de boog te stabiliseren zodat deze constant het grafiet en de katalysator aangrijpt voor de continue productie van enkelwandige koolstofnanobuizen. Het document stelt verschillende trajecten voor de toekomst voor, variërend van het gebruik van dunwandige tot vaste composietanoden voor het continu produceren van nanobuisjes met minder ongewenste bijproducten.

Eindelijk, het begrijpen van de oorzaak van dergelijke onzuiverheden is cruciaal voor toekomstig onderzoek bij PPPL en elders. Terwijl wetenschappers methoden voor in situ karakterisering voor nanostructuren blijven ontwikkelen, ze moeten het booggedrag volgen en onderscheid maken tussen resultaten die zijn verkregen in de synthese-aan en synthese-uit-modi.

Vooruit gaan, PPPL voert in situ metingen uit van plasma nanobuisjes gesynthetiseerd uit boornitride, een veelbelovend materiaal met toepassingen in de ruimtevaart en elektronica.