Nanopartiklar, superstarka och flexibla strukturer som nanorör av kol som mäts i miljardels meter - en diameter tusentals gånger tunnare än ett människohår - används i allt från mikrochips till sportartiklar till läkemedelsprodukter. Men storskalig produktion av högkvalitativa partiklar står inför utmaningar som sträcker sig från att förbättra selektiviteten hos syntesen som skapar dem och det syntetiserade materialets kvalitet till utvecklingen av ekonomiska och tillförlitliga syntesprocesser.

Dock, denna situation kan förändras som ett resultat av forskning vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), där forskare har utvecklat de diagnostiska verktyg som används för att främja en förbättrad och integrerad förståelse av plasmabaserad syntes-ett allmänt använt men dåligt förstått verktyg för att skapa nanostrukturer. PPPL -forskare och samarbetspartners beskriver, i flera publicerade artiklar, ny forskning som kan hjälpa till att utveckla kontrollerbar och selektiv tillverkning av nanomaterial med föreskrivna strukturer. Sådan grundforskning kan bana väg mot tillverkningsframsteg inom en mängd olika branscher.

Unika observationer

Tidningarna rapporterar unika observationer av syntesen i kolplasma som genereras av en ljusbåge in situ, eller när processen utvecklas. Forskare skapar plasmabågen mellan två kolelektroder, producerar en varm kolånga bestående av atomkärnor och molekyler som kyls och syntetiseras - eller kondenseras - till partiklar som växer till nanostrukturer genom att samlas ihop.

Direkt observation har gett "ett stort steg framåt för att förstå hur kolnanopartiklar växer i plasma som genereras av ljusbåge, sa fysikern Yevgeny Raitses, chef för laboratoriet för plasma -nanosyntes vid PPPL. "Tanken är nu att kombinera experimentella resultat med datormodellering för förbättrad kontroll av processen och att tillämpa det vi lär oss på andra typer av nanomaterial och nanomaterialsyntes."

Nedan följer en titt på tre papper som bryter ny mark för att reda ut den dåligt förstådda bågsyntesprocessen. Stöd för detta arbete kommer från DOE Office of Science.

Spotting prekursorer som blir nanorör

Från dagens kunskap saknas en detaljerad förståelse av föregångarna till nanorör som bildas från ångan under syntesen. Detta utgör en viktig utmaning för att förutsäga mekanismen för nanosyntes med en kolplasmabåge.

Att belysa denna process är nya upptäckter hos PPPL. Forskning som leds av fysikern Vladislav Vekselman och rapporterades i tidskriften Plasma Sources Science and Technology visar att det som styr syntesen av kolnanorör i en rent kolbåge är molekylära prekursorer som inkluderar "dimerer" - molekyler som bildas av två kolatomer.

Detta fynd öppnar dörren till förbättrad prediktiv modellering av nanosyntes i kolbågar. "Detta är första gången som en laserinducerad diagnostisk teknik har tillämpats på denna typ av syntes, "Vekselman sa." Vi vet nu var och hur mycket föregångare som bildas i kolbågsmaterial. "

Som stöd för dessa resultat är simuleringar av kolbågssyntes utförd av PPPL -fysikern Alexander Khrabry. "Våra modeller är baserade på den underliggande förångningens fysik, kondens och bildandet av nanostrukturer, "sa fysikern Igor Kaganovich, biträdande chef för PPPL -teoriavdelningen. "Vi tillämpar detta på resultaten av in situ -experimenten för att utveckla förutsägelser som kan testas med ytterligare experiment."

Sådana prediktiva modeller har börjat göra framsteg. "Att ha in situ -mätningar medan syntesen sker är ett mycket värdefullt hjälpmedel för att förstå och modellera, "sa Brent Stratton, chef för diagnostikavdelningen för PPPL och biträdande chef för Plasma Science and Technology (PS&T) -avdelningen som rymmer nanosynteslaboratoriet. "Det här projektet visar är det kombinerade värdet av experiment och modellering för att fördjupa förståelsen för plasmabågssyntes."

Upptäcker tillväxt av nanopartiklar

För att främja sådan förståelse, forskare måste övervaka produktionen av partiklar i storlekar som sträcker sig från nanometrar ända ner till atomskala. PPPL-forskning har nu byggt och visat en unik bords-laserteknik för in situ-detektion av nanopartikeltillväxt. "Denna skräddarsydda diagnostik hjälper till att sammanfoga pusslet om plasmabågen nanosyntes, "sa fysikern Alexandros Gerakis från PPPL, som utformade tekniken och är huvudförfattare till dess beskrivning i tidskriften Physical Review Applied. "Det hade tidigare inte funnits något bra sätt att övervaka processen."

Den nya metoden, härledd från en förutsägelse av Mikhail Shneider från Princeton University, detekterar partiklar som flyter inom och från ljusbågen. Tekniken observerar partiklar ungefär fem nanometer stora, och kan användas för att mäta material som skapats av andra former av nanosyntes också. Sådan in situ-mätning av nanopartiklar under stor volymsyntes kan främja förståelsen av mekanismerna bakom nanopartikeltillväxt.

Varför någon syntes går fel

Bland de mest lovande typerna av nanomaterial finns enväggiga kolnanorör som kolbågsutsläpp kan producera i industriell skala. Men en viktig nackdel med denna metod är orenheten hos mycket av det syntetiserade nanomaterialet, som innehåller en blandning av nanorör, kolsot och slumpmässiga kolpartiklar

En viktig källa till dessa nackdelar är kolbågarnas instabila beteende, PPPL har hittat. Sådant beteende skapar två produktionssätt, som laboratoriet kallar "syntes-på, "för ren nanorörtillverkning, och "syntes-av, "för orena resultat." Syntesen i plasmabågar är 20 procent på och 80 procent av, "sa fysikern Shurik Yatom, huvudförfattare till resultaten publicerade i tidskriften Kol .

I dessa experiment, Yatom använde en konventionell bågsyntesteknik och fyllde en av de två elektroderna - kallad en "anod" - med grafitpulver och en katalysator och fann att syntesen var oregelbunden, växla mellan det dominerande syntes-av-läget och det mycket mindre vanliga syntes-på-läget. Snabbkamerabilder, elektriska egenskaper och emissionsspektra visade att bågen engagerade anodens innehåll direkt i syntes-på-läge, men oscillerade runt den ihåliga anoden i syntes-av-läget och kunde inte interagera med den pulveriserade grafiten och katalysatorn inuti.

Teamet konstruerade också en sonderingsanordning för att selektivt samla den syntetiserade produkten mellan de två lägena. Utvärdering av de syntetiserade nanomaterialen var Rachel Selinsky från Princeton University, som fann att de allra flesta nanorör samlades in under "syntes-på" -läget.

Resultaten avslöjade behovet av att stabilisera bågen så att den ständigt kopplade in grafiten och katalysatorn för kontinuerlig produktion av enväggiga kolnanorör. Tidningen föreslår flera vägar framåt, allt från användning av tunnare väggar till fasta kompositanoder för att producera nanorör på ett kontinuerligt sätt med färre oönskade biprodukter.

Till sist, Att förstå orsaken till sådana föroreningar är avgörande för framtida forskning vid PPPL och på andra håll. När forskare fortsätter att utveckla metoder för in situ -karakterisering för nanostrukturer, de måste övervaka bågbeteendet och skilja mellan resultat som erhållits i syntes-på och syntes-av-lägen.

Går framåt, PPPL utför mätningar på plats av plasmananorör syntetiserade från bornitrid, ett lovande material för rymd- och elektronikapplikationer.