Simulering viser, hvordan eksponering for plasma får kulstofnanorør til at vokse

Ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), forskning udført med samarbejdspartnere fra Princeton University og Institute for Advanced Computational Science ved State University of New York ved Stony Brook har vist, hvordan plasma forårsager usædvanligt stærke, mikroskopiske strukturer kendt som kulstofnanorør til at vokse. Sådanne rør, målt i milliardtedele af en meter, findes i alt fra elektroder til tandimplantater og har mange fordelagtige egenskaber. I princippet, de har en trækstyrke, eller modstand mod brud, når den strækkes, 100 gange større end en længde af ståltråd af samme størrelse.

Rørene bruges også i transistorer og kan en dag erstatte kobberet i computerchips. Men før producenter kan producere sådanne nanorør pålideligt, videnskabsmænd skal forstå mere detaljeret, hvordan de dannes.

De nye resultater, rapporteret i journalen Kulstof i februar, bidrager til et igangværende projekt på PPPLs Laboratorium for Plasma Nanosyntese, der fokuserer på væksten af ​​nanopartikler i plasma. Indviet i 2012, Laboratoriet kombinerer PPPL-ekspertise inden for plasmavidenskab med materialevidenskabelige evner fra Princeton University og andre institutioner og er en del af PPPL Plasma Science and Technology Department, ledet af fysikeren Philip Efthimion. Den ledende hovedforsker er fysikeren Yevgeny Raitses; co-hovedforskere er fysikerne Igor Kaganovich, vicedirektør for teoriafdelingen på PPPL, og Brentley Stratton, leder af diagnostikafdelingen hos PPPL.

Forskere udførte computersimuleringer ved Stony Brook, der viste, at plasma, en suppe af atomer og elektrisk ladede partikler, kan give kulstofnanorør en negativ elektrisk ladning. Simuleringerne indikerede, at et negativt ladet nanorør ville binde kulstofatomer fra det omgivende miljø længere og stærkere til overfladen af ​​røret. Og jo længere tid et atom bruger knyttet til nanorøret, jo mere sandsynligt er det at bevæge sig ned til en klynge af atomer, kendt som en metalkatalysator, får røret til at vokse.

"I vores forskning fandt vi en betydelig stigning i den tid, kulstofatomerne brugte på rørene, " sagde Predrag Krstic, forskningsprofessor ved Institute for Advanced Computational Science og en papirmedforfatter. "Som en konsekvens, der er en betydelig stigning i migrationshastigheden af ​​carbonatomerne mod metalkatalysatoren."

Øget tilgængelighed af højhastighedscomputere har for nylig gjort sådan forskning mulig. "Det, der har ændret sig, er, at computere i disse dage er så hurtige, at vi nøjagtigt kan modellere fænomener som, hvad der sker med nanorør, når de nedsænkes i plasma, " sagde Kaganovich, også medforfatter.

Fremadrettet, forskere planlægger at udvikle en mere detaljeret model for, hvordan både bornitrid og kulstofnanorør vokser i et ægte plasmamiljø. Avanceret beregningskraft gør udviklingen af ​​disse nye modeller mulig.