Forskare har utvecklat en insikt som kan underlätta produktionen av mikroskopiska kolnanorör, strukturer tusentals gånger tunnare än ett människohår som används i allt från mikrochips till sportartiklar till farmaceutiska produkter. Forskningen av forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) kan säkerställa att tillverkningen formar nanorör så effektivt som möjligt.

Fynden är bland ny forskning av forskare som arbetar i PPPL Laboratory for Plasma Nanosynthesis, som banbryter forskning om lågtemperaturplasma för att förbättra produktionen av nanorör och andra nanopartiklar. Den sex år gamla anläggningen har utvecklat ett stadigt flöde av insikter som skulle kunna främja den produktionen.

Nanorör mäts i miljarddelar av en meter och deras flexibilitet och styrka är anmärkningsvärd. I princip, deras draghållfasthet, eller motstånd mot brott när det sträcks, är 100 gånger större än den för en ståltråd av samma storlek. Forskare försöker öka sin förståelse för en allmänt använd teknik som involverar elektricitet för att skapa plasma, som sedan används för att skapa nanorör.

Ingenjörer använder elektriska strömmar som kallas bågar för att förånga atomer av kol eller annat material från en positiv komponent som kallas en anod. Väl i gasform, de frigjorda atomerna kan sammanhänga i nanorör och andra strukturer som kan användas i stället för kisel i datorchips för att öka prestanda och energieffektivitet. En bättre förståelse skulle kunna göra produktionsprocessen mer tillförlitlig och öka kvaliteten på nanorören.

PPPL-fysiker har tagit fram en modell som visar att nanopartikelbildning beror på flera faktorer. Modellen visar att när den elektriska strömmen övergår från låg till hög styrka, avdunstning, eller ablation, hastigheten för kolatomerna övergår också från låg till hög. Detta fynd är viktigt eftersom forskare vill kontrollera ablation i en måttlig snarare än snabb takt när de utför experiment och skapar nanopartiklar för industrin.

Nyckelfaktorn i ablationshastigheten är dess beroende av bakgrundsheliumgas, som fyller utrymmet inuti en ihålig metallkammare som rymmer elektroderna. "Detta är den avgörande faktorn som tidigare modeller ignorerade, " sa den tidigare PPPL-fysikern Alexander Khrabry, huvudförfattare till en artikel som rapporterar resultaten i Journal of Applied Physics . "Gasen fångar upp kolatomerna när de ablaterar och håller dem nära elektrodens yta. Atomerna faller sedan tillbaka på elektroden. Under vissa förhållanden, flödet mellan gasen och elektroderna är tillräckligt högt för att leda till en snabb övergång från en låg ablationshastighet till en hög, vilket inte är vad vi vill."

I relaterad forskning, forskare har utvecklat en ny förklaring till bildandet av heta fläckar på en av de elektriska komponenterna som tar bort kol för att hjälpa till att skapa nanorören. Forskare hade tidigare trott att fläckarna, som bildas vid den positivt laddade komponenten och stör produktionen av nanorör, resultat av instabilitet i strömmen som strömmar till den negativt laddade komponenten som blixtar som strömmar från molnen till marken.

Den nya forskningen indikerar att fläckarna bildas på grund av hur värme sprids inuti anoden, vilket innebär att anodens egenskaper hjälper till att avgöra hur och när hot spots bildas. Hot spots kan minska hur många kolatomer som avdunstar från anodens yta och därmed minska hur många nanorör som skapas. En större förståelse för fläckbildning kan leda till insikter om hur man kan minska eller eliminera dem.

Processen fungerar så här:Värme från plasman strömmar in i anoden och försvinner vid dess yta, skapa en högtemperaturplats. Anodegenskaper som bestämmer värmeflödet är därför viktiga för fläckbildning och nanorörstillverkning. Anodens roll hade förbisetts tidigare.

En bättre förståelse för sådana grundläggande processer lägger grunden för framtida framsteg.