Ett forskargrupp vid Purdue University har utvecklat en simuleringsteknik som en del av ett projekt för att minska kostnaderna för kolnanostrukturer för forskning och potentiell kommersiell teknik, inklusive avancerade sensorer och batterier.

Kolnanostrukturer som nanorör, "nanopetaler" och ultratunna grafitark som kallas grafen kan hitta en mängd olika tillämpningar inom teknik och biovetenskap. På grund av den snabba ökningen av deras användning under det senaste decenniet, forskare arbetar med att utveckla ett massproduktionssystem för att minska sina kostnader. Nanostrukturerna tillverkas med en metod som kallas plasmaförstärkt kemisk ångavsättning (CVD).

I nya fynd, forskare har utvecklat en modell för att simulera vad som händer inuti CVD -reaktorkammaren för att optimera förhållandena för snabb och miljövänlig omvandling av råvaror, såsom metan och väte, i kolnanopetaler och andra strukturer.

"Det finns en mycket komplex blandning av fenomen, plasmaabsorption av mikrovågseffekt, värmeöverföring mellan plasma och gas och, i sista hand, kemin i den reagerande gasblandningen som skapar nanostrukturer, "sa Alina Alexeenko, en docent vid School of Aeronautics and Astronautics som leder modellarbetet. "Modelleringen kan göra det möjligt för oss att göra mindre försök och fel när vi letar efter förhållanden som är helt rätt för att skapa nanostrukturer."

Resultaten beskrivs i ett papper publicerat online i Journal of Applied Physics . Det var den presenterade artikeln i tidskriftens 21 mars tryckta upplaga.

Nanopetalerna visar löften som en sensor för att upptäcka glukos i saliven eller tårar och för "superkapacitorer" som kan möjliggöra snabb laddning, högpresterande batterier. Dock, för att materialet ska kommersialiseras måste forskare hitta ett sätt att massproducera det till låg kostnad.

Forskarna använde en teknik som kallas optisk emissionsspektroskopi för att mäta temperaturen på väte i plasma och jämföra det med modelleringsresultatet. Resultaten visade att modellen matchar experimentella data.

"Dr Alexeenko och hennes elever kunde fånga kärnan i fysiska processer som vi, som experimenterande, först trodde att det skulle vara för svårt att modellera, "sa Timothy Fisher, James G. Dwyer -professorn i maskinteknik. "Men nu när vi kan simulera processen, vi kommer att kunna leta först på datorn efter de villkor som förbättrar processen för att styra nästa experiment i labbet. "

Forskningen är en del av ett Purdue -projekt som finansieras av National Science Foundation. Det fokuserar på att skapa en nanotillverkningsmetod som kan massproduktion till låg kostnad. Den bakomliggande tekniken utvecklades av en forskargrupp som leds av Fisher. Den består av vertikala nanostrukturer som liknar små rosenblad tillverkade av grafen som kan massproduceras med rull-till-rull-tillverkning, en grundpelare i många industriella verksamheter, inklusive tillverkning av papper och plåt.

De nya fynden visade att produktionen av nanostrukturer förbättras och påskyndas genom bildandet av "vertikala dielektriska pelare" i CVD -reaktorn.

"Implikationen är att vi förstår bättre vad effekten är av dessa pelare och kommer att återge denna effekt på andra sätt i det storskaliga roll-to-roll-system som Dr. Fisher redan har byggt, "Sade Alexeenko." Simuleringarna kvantifierar effekten av pelaren och andra parametrar, som kraft och tryck, om plasmaförbättring. "

De Journal of Applied Physics papper var författat av doktorander Gayathri Shivkumar, Siva Sashank Tholeti och Majed Alrefae; Fiskare; och Alexeenko.

Mycket av forskningen är baserad på Birck Nanotechnology Center i Purdues Discovery Park och ingår i ett kallplassteam under Purdue College of Engineering främsta teaminitiativ.

"Nästa och pågående steg i denna forskning är att tillämpa modelleringen på roll-to-roll för storskalig tillverkning av nanopetaler, "Sa Alexeenko." Dessutom, optimera reaktorförhållandena för energieffektivitet och miljöeffekter för att minimera produktionen av giftiga kemikalier. "