Nanopartículas, Las estructuras superfuertes y flexibles, como los nanotubos de carbono, que se miden en mil millonésimas de metro, un diámetro miles de veces más delgado que un cabello humano, se utilizan en todo, desde microchips hasta artículos deportivos y productos farmacéuticos. Pero la producción a gran escala de partículas de alta calidad enfrenta desafíos que van desde la mejora de la selectividad de la síntesis que las crea y la calidad del material sintetizado hasta el desarrollo de procesos de síntesis económicos y confiables.

Sin embargo, esta situación podría cambiar como resultado de una investigación en el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), donde los científicos han desarrollado las herramientas de diagnóstico que se están utilizando para avanzar en una comprensión mejorada e integrada de la síntesis basada en plasma, una herramienta ampliamente utilizada pero poco conocida para crear nanoestructuras. Los científicos y colaboradores de PPPL describen, en varios artículos publicados, investigación reciente que podría ayudar a desarrollar la fabricación controlable y selectiva de nanomateriales con estructuras prescritas. Esta investigación básica podría allanar el camino hacia los avances en la fabricación en una variedad de industrias.

Observaciones únicas

Los artículos informan sobre observaciones únicas de la síntesis en plasma de carbono generado por un arco eléctrico in situ, o a medida que se desarrolla el proceso. Los investigadores crean el arco de plasma entre dos electrodos de carbono, produciendo un vapor de carbono caliente compuesto de núcleos atómicos y moléculas que se enfrían y sintetizan, o condensan, en partículas que crecen en nanoestructuras al agruparse.

La observación directa ha producido "un gran paso adelante en la comprensión de cómo crecen las nanopartículas de carbono en el plasma generado por el arco, "dijo el físico Yevgeny Raitses, jefe del Laboratorio de Nanosíntesis de Plasma de PPPL. "La idea ahora es combinar los resultados experimentales con el modelado por computadora para mejorar el control del proceso y aplicar lo que aprendemos a otros tipos de nanomateriales y síntesis de nanomateriales".

A continuación se presenta un vistazo a tres artículos que abren nuevos caminos para desentrañar el proceso de síntesis de arco poco entendido. El apoyo para este trabajo proviene de la Oficina de Ciencias del DOE.

Detectar precursores que se convierten en nanotubos.

En el conocimiento actual falta una comprensión detallada de los precursores de los nanotubos que se forman a partir del vapor durante la síntesis. Esto plantea un desafío clave para predecir el mecanismo de nanosíntesis con un arco de plasma de carbono.

Arrojando luz sobre este proceso son nuevos descubrimientos en PPPL. Una investigación dirigida por el físico Vladislav Vekselman y publicada en la revista Plasma Sources Science and Technology muestra que lo que gobierna la síntesis de nanotubos de carbono en un arco eléctrico puramente de carbono son los precursores moleculares que incluyen "dímeros", moléculas formadas por dos átomos de carbono.

Este hallazgo abre la puerta a un modelo predictivo mejorado de nanosíntesis en arcos de carbono. "Es la primera vez que se aplica una técnica de diagnóstico inducida por láser a este tipo de síntesis, ", Dijo Vekselman." Ahora sabemos dónde y cuánto precursor se forma en el material de arco de carbono ".

Estos hallazgos respaldan las simulaciones de la síntesis de arco de carbono realizadas por el físico de PPPL Alexander Khrabry. "Nuestros modelos se basan en la física subyacente de la vaporización, condensación y formación de nanoestructuras, "dijo el físico Igor Kaganovich, subdirector del Departamento de Teoría de PPPL. "Aplicamos esto a los resultados de los experimentos in situ para desarrollar predicciones que se puedan probar con más experimentos".

Estos modelos predictivos han comenzado a progresar. "Tener mediciones in situ mientras se realiza la síntesis es una ayuda muy valiosa para la comprensión y el modelado, "dijo Brent Stratton, jefe de la división de diagnóstico de PPPL y subdirector del Departamento de Ciencia y Tecnología del Plasma (PS&T) que alberga el laboratorio de nanosíntesis. "Lo que muestra este proyecto es el valor combinado de los experimentos y el modelado para profundizar la comprensión de la síntesis del arco de plasma".

Detectando el crecimiento de nanopartículas

Para promover tal comprensión, los investigadores deben monitorear la producción de partículas en tamaños que van desde nanómetros hasta la escala atómica. La investigación de PPPL ha creado y demostrado una técnica láser de sobremesa única para la detección in situ del crecimiento de nanopartículas. "Este diagnóstico personalizado ayuda a reconstruir el rompecabezas de la nanosíntesis de arco de plasma, "dijo el físico Alexandros Gerakis de PPPL, quien diseñó la técnica y es el autor principal de su descripción en la revista Physical Review Applied. "Anteriormente no había una buena forma de monitorear el proceso".

El método novedoso, derivado de una predicción de Mikhail Shneider de la Universidad de Princeton, detecta partículas que fluyen dentro y desde el arco eléctrico. La técnica observa partículas de unos cinco nanómetros de tamaño, y también podría usarse para medir materiales creados por otras formas de nanosíntesis. Tal medición in situ de nanopartículas durante la síntesis de gran volumen podría mejorar la comprensión de los mecanismos detrás del crecimiento de nanopartículas.

¿Por qué alguna síntesis sale mal?

Entre los tipos de nanomateriales más prometedores se encuentran los nanotubos de carbono de pared simple que las descargas de arco de carbono pueden producir a escala industrial. Pero un inconveniente clave de este método es la impureza de gran parte del nanomaterial sintetizado, que incluye una mezcla de nanotubos, hollín de carbono y partículas de carbono al azar

Una fuente principal de estos inconvenientes es el comportamiento inestable de los arcos de carbono, PPPL ha encontrado. Tal comportamiento crea dos modos de producción, que el laboratorio llama "síntesis en, "para la fabricación pura de nanotubos, y "síntesis desactivada, "para resultados impuros". La síntesis en arcos de plasma está activada en un 20 por ciento y desactivada en un 80 por ciento, "dijo el físico Shurik Yatom, autor principal de los resultados publicados en la revista Carbón .

En estos experimentos, Yatom usó una técnica de síntesis de arco convencional y llenó uno de los dos electrodos, llamado "ánodo", con polvo de grafito y un catalizador y descubrió que la síntesis era errática. cambiar entre el modo de síntesis desactivada dominante y el modo de activación de síntesis mucho menos común. Imágenes de cámara rápida, Las características eléctricas y los espectros de emisión mostraron que el arco se involucró con el contenido del ánodo directamente en el modo de síntesis. pero osciló alrededor del ánodo hueco en el modo de desactivación de síntesis y no pudo interactuar con el grafito en polvo y el catalizador del interior.

El equipo también construyó un dispositivo de sondeo para recolectar selectivamente el producto sintetizado entre los dos modos. La evaluación de los nanomateriales sintetizados fue Rachel Selinsky de la Universidad de Princeton, quienes encontraron que la gran mayoría de los nanotubos se recolectaron durante el modo de "síntesis activada".

Los hallazgos revelaron la necesidad de estabilizar el arco para que constantemente involucrara el grafito y el catalizador para la producción continua de nanotubos de carbono de pared simple. El documento propone varios caminos a seguir, que van desde el uso de ánodos compuestos de paredes más delgadas hasta sólidos para producir nanotubos de manera continua con menos subproductos no deseados.

Finalmente, comprender la causa de tales impurezas es crucial para futuras investigaciones en PPPL y en otros lugares. A medida que los científicos continúan desarrollando métodos de caracterización in situ de nanoestructuras, deben monitorear el comportamiento del arco y distinguir entre los resultados obtenidos en los modos de síntesis activada y síntesis desactivada.

Avanzando, PPPL realiza mediciones in situ de nanotubos de plasma sintetizados a partir de nitruro de boro, un material prometedor con aplicaciones aeroespaciales y electrónicas.