Store skridt mod kontrol af produktionen af ​​små byggesten

Nanopartikler, supersterke og fleksible strukturer såsom carbon nanorør, der måles i milliarddeler af en meter - en diameter tusinder af gange tyndere end et menneskehår - bruges i alt fra mikrochips til sportsartikler til farmaceutiske produkter. Men storskala produktion af partikler af høj kvalitet står over for udfordringer lige fra at forbedre selektiviteten af ​​syntesen, der skaber dem, og kvaliteten af ​​det syntetiserede materiale til udviklingen af ​​økonomiske og pålidelige synteseprocesser.

Imidlertid, denne situation kan ændre sig som følge af forskning ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), hvor forskere har udviklet de diagnostiske værktøjer, der bruges til at fremme en forbedret og integreret forståelse af plasmabaseret syntese-et meget udbredt, men dårligt forstået værktøj til at skabe nanostrukturer. PPPL -forskere og samarbejdspartnere skitserer, i flere udgivne artikler, nyere forskning, der kunne hjælpe med at udvikle kontrollerbar og selektiv fremstilling af nanomaterialer med foreskrevne strukturer. Sådan grundforskning kan bane vejen mod fremskridt inden for produktion inden for en række forskellige industrier.

Unikke observationer

Papirerne rapporterer unikke observationer af syntesen i carbonplasma genereret af en lysbue in situ, eller som processen udspiller sig. Forskere skaber plasmabuen mellem to kulstofelektroder, producerer en varm kuldamp sammensat af atomkerner og molekyler, der afkøler og syntetiserer - eller kondenserer - til partikler, der vokser til nanostrukturer ved at samle sig.

Direkte observation har produceret "et stort skridt fremad for at forstå, hvordan kulstofnanopartikler vokser i plasma frembragt af lysbue, "sagde fysikeren Yevgeny Raitses, leder af laboratoriet for plasma -nanosyntese hos PPPL. "Ideen er nu at kombinere eksperimentelle resultater med computermodellering for forbedret kontrol af processen og at anvende det, vi lærer, på andre typer nanomaterialer og nanomaterialesyntese."

Følgende er et kig på tre papirer, der baner nye veje i at opklare den dårligt forståede lysbuesynteseproces. Støtte til dette arbejde kommer fra DOE Office of Science.

Spotting forstadier, der bliver til nanorør

Fra dagens viden mangler en detaljeret forståelse af forstadierne til nanorør, der dannes fra dampen under syntesen. Dette udgør en central udfordring for at forudsige mekanismen for nanosyntese med en carbonplasmabue.

Kaster lys over denne proces er nye opdagelser hos PPPL. Forskning ledet af fysikeren Vladislav Vekselman og rapporteret i tidsskriftet Plasma Sources Science and Technology viser, at det, der styrer syntesen af ​​kulstofnanorør i en rent kulbue, er molekylære forstadier, der inkluderer "dimerer" - molekyler dannet af to kulstofatomer.

Dette fund åbner døren til forbedret forudsigelig modellering af nanosyntese i kulbuer. "Dette er første gang, at en laserinduceret diagnostisk teknik er blevet anvendt på denne type syntese, "Vekselman sagde." Vi ved nu, hvor og hvor meget forstadie der dannes i kulbue -materiale. "

Understøttende for disse fund er simuleringer af kulbuesyntese udført af PPPL -fysiker Alexander Khrabry. "Vores modeller er baseret på den underliggende fysik ved fordampning, kondens og dannelse af nanostrukturer, "sagde fysikeren Igor Kaganovich, souschef for PPPL -teoriafdelingen. "Vi anvender dette på resultaterne af in situ -eksperimenterne for at udvikle forudsigelser, der kan testes med yderligere eksperimenter."

Sådanne forudsigelsesmodeller er begyndt at gøre fremskridt. "At have in situ -målinger, mens syntesen finder sted, er et meget værdifuldt hjælpemiddel til forståelse og modellering, "sagde Brent Stratton, leder af diagnostikafdelingen for PPPL og vicedirektør for Plasma Science and Technology (PS&T) -afdelingen, der huser nanosynteselaboratoriet. "Hvad dette projekt viser, er den kombinerede værdi af eksperimenter og modellering for at uddybe forståelsen af ​​plasmabuesyntese."

Registrering af nanopartikelvækst

For at fremme en sådan forståelse, forskere skal overvåge produktionen af ​​partikler i størrelser lige fra nanometer helt ned til atomskalaen. PPPL-forskning har nu bygget og demonstreret en unik bordplade-laserteknik til in situ-påvisning af nanopartikelvækst. "Denne specialfremstillede diagnostik hjælper med at sammensætte puslespillet om plasma bue nanosyntese, "sagde fysiker Alexandros Gerakis fra PPPL, der designede teknikken og er hovedforfatter af dens beskrivelse i tidsskriftet Physical Review Applied. "Der havde tidligere ikke været nogen god måde at overvåge processen på."

Den nye metode, afledt af en forudsigelse af Mikhail Shneider fra Princeton University, registrerer partikler, der strømmer inden for og fra lysbuen. Teknikken observerer partikler på omkring fem nanometer i størrelse, og kunne også bruges til at måle materialer skabt af andre former for nanosyntese. Sådan in situ måling af nanopartikler under stor volumen syntese kunne fremme forståelsen af ​​mekanismerne bag nanopartikelvækst.

Hvorfor en eller anden syntese går galt

Blandt de mest lovende typer af nanomaterialer er enkelt-væg carbon nanorør, som kulbueudledninger kan producere i industriel skala. Men en vigtig ulempe ved denne metode er urenheden af ​​meget af det syntetiserede nanomateriale, som indeholder en blanding af nanorør, kulstofsod og tilfældige kulstofpartikler

En hovedkilde til disse ulemper er kulbuernes ustabile opførsel, PPPL har fundet. Sådan adfærd skaber to produktionsmåder, som laboratoriet kalder "syntese-på, "til ren nanorørfremstilling, og "syntese-off, "for urene resultater." Syntesen i plasmabuer er 20 procent tændt og 80 procent off, "sagde fysikeren Shurik Yatom, hovedforfatter til resultaterne offentliggjort i tidsskriftet Kulstof .

I disse forsøg, Yatom brugte en konventionel lysbuesynteseteknik og fyldte den ene af de to elektroder - kaldet en "anode" - med grafitpulver og en katalysator og fandt ud af, at syntesen var uregelmæssig, skifte mellem den dominerende syntese-off-tilstand og den langt mindre almindelige syntese-on-tilstand. Hurtige kamerabilleder, elektriske egenskaber og emissionsspektre viste, at lysbuen engagerede indholdet af anoden direkte i syntese-on-tilstand, men svingede rundt om den hule anode i syntese-slukket tilstand og var ude af stand til at interagere med pulveriseret grafit og katalysator indeni.

Teamet konstruerede også en sonderingsenhed til selektivt at indsamle det syntetiserede produkt mellem de to tilstande. Evaluering af de syntetiserede nanomaterialer var Rachel Selinsky fra Princeton University, der fandt ud af, at langt de fleste nanorør blev indsamlet under "syntese-on" -tilstanden.

Resultaterne afslørede behovet for at stabilisere lysbuen, så den konstant engagerede grafitten og katalysatoren til den kontinuerlige produktion af enkelt-væg carbon nanorør. Papiret foreslår flere veje fremadrettet, lige fra brugen af ​​tyndere vægge til massive kompositanoder til fremstilling af nanorør på en kontinuerlig måde med færre uønskede biprodukter.

Endelig, forståelse af årsagen til sådanne urenheder er afgørende for fremtidig forskning på PPPL og andre steder. Mens forskere fortsætter med at udvikle metoder til in situ -karakterisering for nanostrukturer, de skal overvåge lysbueadfærden og skelne mellem resultater opnået i syntese-on og syntese-off tilstande.

Fremadrettet, PPPL udfører in situ målinger af plasma nanorør syntetiseret fra bornitrid, et lovende materiale med rum- og elektronikapplikationer.