Un equipo de investigación de la Universidad de Purdue ha desarrollado una técnica de simulación como parte de un proyecto para ayudar a reducir el costo de las nanoestructuras de carbono para la investigación y las posibles tecnologías comerciales. incluyendo baterías y sensores avanzados.

Nanoestructuras de carbono como nanotubos, Los "nanopétalos" y las láminas ultrafinas de grafito llamadas grafeno pueden encontrar una amplia variedad de aplicaciones en ingeniería y biociencias. Debido al rápido aumento de su uso durante la última década, los investigadores están trabajando para desarrollar un sistema de producción en masa para reducir su costo. Las nanoestructuras se fabrican con un método llamado deposición química de vapor mejorada con plasma (CVD).

En nuevos hallazgos, Los investigadores han desarrollado un modelo para simular lo que sucede dentro de la cámara del reactor CVD para optimizar las condiciones para una conversión rápida y respetuosa con el medio ambiente de las materias primas. como el metano y el hidrógeno, en nanopétalos de carbono y otras estructuras.

"Hay una mezcla muy compleja de fenómenos, absorción de plasma de potencia de microondas, transferencia de calor entre plasma y gas y, por último, la química de la mezcla de gases reaccionantes que crea las nanoestructuras, "dijo Alina Alexeenko, profesor asociado de la Escuela de Aeronáutica y Astronáutica que dirige el trabajo de modelado. "El modelado podría permitirnos hacer menos ensayo y error en la búsqueda de las condiciones adecuadas para crear nanoestructuras".

Los hallazgos se detallan en un artículo publicado en línea en el Revista de física aplicada . Fue el artículo destacado de la edición impresa del 21 de marzo de la revista.

Los nanopétalos se muestran prometedores como sensores para detectar glucosa en la saliva o las lágrimas y para "supercondensadores" que podrían hacer posible una carga rápida. Baterías de alto rendimiento. Sin embargo, Para que el material se comercialice, los investigadores deben encontrar la manera de producirlo en masa a bajo costo.

Los investigadores utilizaron una técnica llamada espectroscopia de emisión óptica para medir la temperatura del hidrógeno en el plasma y compararla con el resultado del modelado. Los resultados mostraron que el modelo coincide con los datos experimentales.

"La Dra. Alexeenko y sus estudiantes pudieron capturar la esencia de los procesos físicos que nosotros, como experimentalistas, inicialmente se creyó que sería demasiado difícil de modelar, "dijo Timothy Fisher, el profesor James G. Dwyer de Ingeniería Mecánica. "Pero ahora que podemos simular el proceso, podremos buscar primero en la computadora el conjunto de condiciones que mejoran el proceso para guiar los próximos experimentos en el laboratorio ".

La investigación es parte de un proyecto Purdue financiado por la National Science Foundation. Se enfoca en crear un método de nanofabricación que sea capaz de producirse en masa a bajo costo. La tecnología subyacente fue desarrollada por un grupo de investigación dirigido por Fisher. Consiste en nanoestructuras verticales que se asemejan a pequeños pétalos de rosa hechos de grafeno que podrían producirse en masa mediante la fabricación de rollo a rollo. un pilar de muchas operaciones industriales, incluida la producción de papel y chapa.

Los nuevos hallazgos mostraron que la producción de las nanoestructuras se mejora y acelera mediante la formación de "pilares dieléctricos verticales" en el reactor CVD.

"La implicación es que entendemos mejor cuál es el efecto de estos pilares y reproduciremos este efecto por otros medios en el sistema de rollo a rollo a gran escala que el Dr. Fisher ya ha construido, "Alexeenko dijo." Las simulaciones cuantifican el efecto del pilar y otros parámetros, como el poder y la presión, sobre la mejora del plasma ".

los Revista de física aplicada El artículo fue escrito por estudiantes graduados Gayathri Shivkumar, Siva Sashank Tholeti y Majed Alrefae; Pescador; y Alexeenko.

Gran parte de la investigación se basa en el Birck Nanotechnology Center en Purdue's Discovery Park y es parte de un equipo de plasma frío bajo la iniciativa del equipo preeminente de Purdue College of Engineering.

"El siguiente paso en curso en esta investigación es aplicar el modelado a rollo a rollo para la fabricación a gran escala de nanopétalos, "Alexeenko dijo." Además, optimizar las condiciones del reactor para la eficiencia energética y los efectos ambientales para minimizar la producción de sustancias químicas tóxicas ".