Onderzoekers hebben een inzicht ontwikkeld dat de productie van microscopisch kleine koolstofnanobuisjes zou kunnen vergemakkelijken, structuren duizenden malen dunner dan een mensenhaar dat in alles wordt gebruikt, van microchips tot sportartikelen tot farmaceutische producten. Het onderzoek door 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, die pioniert in onderzoek naar plasma bij lage temperatuur om de productie van nanobuisjes en andere nanodeeltjes te verbeteren. De zes jaar oude faciliteit heeft een gestage stroom van inzichten ontwikkeld die die productie kunnen bevorderen.

Nanobuisjes worden gemeten in miljardsten van een meter en hun flexibiliteit en sterkte zijn opmerkelijk. In principe, hun trekkracht, of weerstand tegen breken wanneer uitgerekt, is 100 keer groter dan die van een staaldraad van dezelfde grootte. Wetenschappers proberen hun begrip te vergroten van een veelgebruikte techniek waarbij elektriciteit wordt gebruikt om plasma te maken, die 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, de vrijgekomen atomen kunnen samensmelten 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 kan het productieproces betrouwbaarder maken en de kwaliteit van de nanobuisjes verhogen.

Natuurkundigen van PPPL hebben een model gemaakt dat aantoont dat de vorming van nanodeeltjes van verschillende factoren afhangt. Het model laat zien dat naarmate de elektrische stroom overgaat van lage naar hoge sterkte, de verdamping, of ablatie, snelheid van de koolstofatomen ook overgangen van laag naar hoog. Deze bevinding is belangrijk omdat onderzoekers ablatie met een matige in plaats van snelle snelheid 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 achtergrond heliumgas, die de ruimte vult in een holle metalen kamer waarin de elektroden zijn ondergebracht. "Dit is de cruciale factor die eerdere modellen negeerden, " zei voormalig PPPL-natuurkundige Alexander Khrabry, hoofdauteur van een paper waarin de bevindingen in Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde . "Het gas vangt de koolstofatomen op terwijl ze ablateren en houdt ze dicht bij het oppervlak van de elektrode. De atomen vallen dan terug op de elektrode. Onder bepaalde omstandigheden, de flux tussen het gas en de elektroden is hoog genoeg om te leiden tot een snelle overgang van een lage ablatiesnelheid naar een hoge, dat is niet wat we willen."

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

Het nieuwe onderzoek geeft aan dat de vlekken 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 verdampt verminderen en dus het aantal nanobuisjes dat wordt gecreëerd verminderen. Een beter begrip van vlekvorming zou kunnen leiden tot inzichten in hoe deze te verminderen of te elimineren.

Het proces werkt als volgt:warmte van het plasma stroomt in de anode en verdwijnt aan het oppervlak, het creëren van een plek met hoge temperatuur. Anode-eigenschappen die de warmtestroom bepalen, zijn daarom belangrijk voor de vorming van vlekken 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.