Model hjælper bestræbelserne på at reducere omkostningerne til kulstof nanostrukturer for industrien, forskning

Et forskerhold fra Purdue University har udviklet en simuleringsteknik som en del af et projekt, der skal hjælpe med at reducere omkostningerne ved kulstof nanostrukturer til forskning og potentielle kommercielle teknologier, inklusive avancerede sensorer og batterier.

Carbon nanostrukturer såsom nanorør, "nanopetaler" og ultratynde plader af grafit kaldet grafen kan finde en bred vifte af anvendelser inden for teknik og biovidenskab. På grund af den hurtige stigning i deres brug i løbet af det sidste årti, forskere arbejder på at udvikle et masseproduktionssystem for at reducere deres omkostninger. Nanostrukturerne er fremstillet med en metode kaldet plasma-enhanced chemical vapor deposition (CVD).

I nye resultater, forskere har udviklet en model til at simulere, hvad der sker inde i CVD-reaktorkammeret for at optimere betingelserne for hurtig og miljøvenlig omdannelse af råmaterialer, såsom metan og brint, ind i kulstof nanoblade og andre strukturer.

"Der er en meget kompleks blanding af fænomener, plasmaabsorption af mikrobølgeeffekt, varmeoverførsel mellem plasma og gas og, ultimativt, kemien i den reagerende gasblanding, der skaber nanostrukturerne, " sagde Alina Alexeenko, en lektor på School of Aeronautics and Astronautics, der leder modelarbejdet. "Modelleringen kunne gøre os i stand til at lave mindre trial and error i at søge efter forhold, der er helt rigtige til at skabe nanostrukturer."

Resultaterne er beskrevet detaljeret i et papir offentliggjort online i Journal of Applied Physics . Det var den omtalte artikel i tidsskriftets trykte udgave den 21. marts.

Nanobladene viser lovende som en sensor til at detektere glukose i spyt eller tårer og for "superkondensatorer", der kunne muliggøre hurtig opladning, højtydende batterier. Imidlertid, For at materialet skal kommercialiseres skal forskere finde en måde at masseproducere det på til lave omkostninger.

Forskerne brugte en teknik kaldet optisk emissionsspektroskopi til at måle temperaturen af ​​brint i plasmaet og sammenligne det med modelleringsresultatet. Resultaterne viste, at modellen matcher eksperimentelle data.

"Dr. Alexeenko og hendes elever var i stand til at fange essensen af ​​fysiske processer, som vi, som eksperimentalister, oprindeligt troet ville være for svært at modellere, " sagde Timothy Fisher, James G. Dwyer professor i maskinteknik. "Men nu hvor vi kan simulere processen, vi vil først være i stand til at se på computeren efter det sæt af betingelser, der forbedrer processen for at guide de næste eksperimenter i laboratoriet."

Forskningen er en del af et Purdue-projekt finansieret af National Science Foundation. Det fokuserer på at skabe en nanofremstillingsmetode, der er i stand til masseproduktion til lave omkostninger. Den underliggende teknologi er udviklet af en forskergruppe ledet af Fisher. Den består af lodrette nanostrukturer, der ligner små rosenblade lavet af grafen, der kan masseproduceres ved hjælp af roll-to-roll-fremstilling, en grundpille i mange industrielle operationer, herunder papir- og pladeproduktion.

De nye resultater viste, at produktionen af ​​nanostrukturerne forbedres og fremskyndes gennem dannelsen af ​​"lodrette dielektriske søjler" i CVD-reaktoren.

"Betydningen er, at vi bedre forstår, hvad effekten er af disse søjler og vil reproducere denne effekt på andre måder i det storstilede roll-to-roll system, som Dr. Fisher allerede har bygget, Alexeenko sagde. "Simuleringerne kvantificerer effekten af ​​søjlen og andre parametre, såsom kraft og pres, om plasmaforbedring."

Det Journal of Applied Physics papiret blev forfattet af kandidatstuderende Gayathri Shivkumar, Siva Sashank Tholeti og Majed Alrefae; Fisher; og Alexeenko.

Meget af forskningen er baseret på Birck Nanotechnology Center i Purdues Discovery Park og er en del af et koldt plasmahold under Purdue College of Engineerings fremtrædende teaminitiativ.

"Det næste og igangværende trin i denne forskning er at anvende modelleringen til rulle-til-rulle til storskala fremstilling af nanoblade, " sagde Alexeenko. "Også, optimering af reaktorens betingelser for energieffektivitet og miljøeffekter for at minimere produktionen af ​​giftige kemikalier."