Vid U.S. Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), forskning utförd med samarbetspartners från Princeton University och Institute for Advanced Computational Science vid State University of New York i Stony Brook har visat hur plasma orsakar exceptionellt stark, mikroskopiska strukturer som kallas kolnanorör att växa. Sådana rör, mätt i miljarddels meter, finns i allt från elektroder till tandimplantat och har många fördelaktiga egenskaper. I princip, de har draghållfasthet, eller motstånd mot brytning vid sträckning, 100 gånger större än för en lika stor ståltrådslängd.
Rören används också i transistorer och kan någon gång ersätta koppar i datorchips. Men innan tillverkarna kan tillverka sådana nanorör på ett tillförlitligt sätt, forskare måste förstå mer detaljerat hur de bildas.
De nya fynden, rapporteras i tidningen Kol i februari, bidrar till ett pågående projekt på PPPL:s laboratorium för plasmananosyntes som fokuserar på tillväxt av nanopartiklar i plasma. Invigdes 2012, laboratoriet kombinerar PPPL -expertis inom plasmavetenskap med materialvetenskapliga funktioner vid Princeton University och andra institutioner och ingår i PPPL Plasma Science and Technology Department som leds av fysikern Philip Efthimion. Huvudforskare är fysikern Yevgeny Raitses; medhuvudutredare är fysikerna Igor Kaganovich, biträdande chef för teoriavdelningen på PPPL, och Brentley Stratton, chef för diagnostikavdelningen på PPPL.
Forskare utförde datasimuleringar vid Stony Brook som visade att plasma, en soppa av atomer och elektriskt laddade partiklar, kan ge kolnanorör en negativ elektrisk laddning. Simuleringarna indikerade att en negativt laddad nanorör skulle binda kolatomer från den omgivande miljön längre och starkare till rörets yta. Och ju längre en atom spenderar fäst vid nanoröret, desto mer sannolikt är det att flytta ner till en grupp av atomer, känd som en metallkatalysator, får röret att växa.
"I vår forskning fann vi en betydande ökning av tiden kolatomerna spenderade på rören, "sa Predrag Krstic, forskningsprofessor vid Institute for Advanced Computational Science och en pappersförfattare. "Som en konsekvens, det finns en signifikant ökning av migrationshastigheten för kolatomerna mot metallkatalysatorn. "
Ökad tillgänglighet för höghastighetsdatorer har nyligen gjort sådan forskning möjlig. "Det som har förändrats är att datorerna i dag är så snabba att vi exakt kan modellera fenomen som vad som händer med nanorör när de är nedsänkta i plasma, "sa Kaganovich, också en medförfattare.
Går framåt, forskare planerar att utveckla en mer detaljerad modell av hur både bornitrid och kolnanorör växer i en verklig plasmamiljö. Avancerad beräkningskraft gör utvecklingen av dessa nya modeller möjlig.
