Forbedret forståelse af plasmakilde til syntese af kulstofnanorør

Forskere har udviklet en indsigt, der kunne lette produktionen af ​​mikroskopiske kulstofnanorør, strukturer tusindvis af gange tyndere end et menneskehår, der bruges i alt fra mikrochips til sportsartikler til farmaceutiske produkter. Forskningen udført af forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) kunne sikre, at fremstillingen danner nanorør så effektivt som muligt.

Resultaterne er blandt nyere forskning udført af forskere, der arbejder i PPPL Laboratory for Plasma Nanosynthesis, som pionerer i forskning i lavtemperaturplasma for at forbedre produktionen af ​​nanorør og andre nanopartikler. Det seks år gamle anlæg har udviklet en konstant strøm af indsigt, der kan fremme den produktion.

Nanorør måles i milliardtedele af en meter, og deres fleksibilitet og styrke er bemærkelsesværdig. I princippet, deres trækstyrke, eller modstand mod brud, når den strækkes, er 100 gange større end en længde af ståltråd af samme størrelse. Forskere forsøger at øge deres forståelse af en udbredt teknik, der involverer elektricitet til at skabe plasma, som derefter bruges til at skabe nanorør.

Ingeniører bruger elektriske strømme kendt som buer til at fordampe atomer af kulstof eller andet materiale fra en positiv komponent kendt som en anode. En gang i gasform, de frigivne atomer kan hænge sammen i nanorør og andre strukturer, der kan bruges i stedet for silicium i computerchips for at øge ydeevnen og energieffektiviteten. En bedre forståelse kunne gøre produktionsprocessen mere pålidelig og øge kvaliteten af ​​nanorørene.

PPPL-fysikere har fremstillet en model, der viser, at dannelsen af ​​nanopartikler afhænger af flere faktorer. Modellen viser, at når den elektriske strøm går fra lav til høj styrke, fordampningen, eller ablation, hastigheden af ​​kulstofatomerne går også fra lav til høj. Dette fund er vigtigt, fordi forskere ønsker at kontrollere ablation i en moderat snarere end hurtig hastighed, når de udfører eksperimenter og skaber nanopartikler til industrien.

Nøglefaktoren i ablationshastigheden er dens afhængighed af baggrundsheliumgas, som fylder rummet inde i et hult metalkammer, der huser elektroderne. "Dette er den afgørende faktor, som tidligere modeller ignorerede, " sagde den tidligere PPPL-fysiker Alexander Khrabry, hovedforfatter af et papir, der rapporterer resultaterne i Journal of Applied Physics . "Gassen fanger kulstofatomerne, mens de ablaterer og holder dem tæt på overfladen af ​​elektroden. Atomerne falder derefter tilbage på elektroden. Under visse forhold, fluxen mellem gassen og elektroderne er høj nok til at føre til den hurtige overgang fra en lav ablationshastighed til en høj, hvilket ikke er det, vi ønsker."

I relateret forskning, forskere har udviklet en ny forklaring på dannelsen af ​​hot spots på en af ​​de elektriske komponenter, der fjerner kulstof for at hjælpe med at skabe nanorørene. Forskere havde tidligere troet, at pletterne, som dannes ved den positivt ladede komponent og forstyrrer produktionen af ​​nanorør, skyldes ustabilitet i strømmen, der strømmer til den negativt ladede komponent som lyn, der strømmer fra skyer til jorden.

Den nye forskning viser, at pletterne dannes på grund af den måde, varme spredes inden i anoden, hvilket betyder, at anodens egenskaber er med til at bestemme, hvordan og hvornår de varme punkter dannes. Hot spots kan reducere hvor mange kulstofatomer der fordamper fra anodens overflade og dermed reducere hvor mange nanorør der skabes. En større forståelse af pletdannelse kan føre til indsigt i, hvordan man kan reducere eller eliminere dem.

Processen fungerer på denne måde:Varme fra plasmaet strømmer inden i anoden og spredes ved dens overflade, skabe et højtemperatursted. Anodeegenskaber, der bestemmer varmestrømmen, er derfor vigtige for pletdannelse og nanorørfremstilling. Anodens rolle var tidligere blevet overset.

En bedre forståelse af sådanne grundlæggende processer lægger grundlaget for fremtidige fremskridt.