Au Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), des recherches menées avec des collaborateurs de l'Université de Princeton et de l'Institute for Advanced Computational Science de l'Université d'État de New York à Stony Brook ont ​​montré comment le plasma provoque des effets exceptionnellement puissants, structures microscopiques appelées nanotubes de carbone à croître. De tels tubes, mesuré en milliardièmes de mètre, se trouvent dans tout, des électrodes aux implants dentaires et ont de nombreuses propriétés avantageuses. En principe, ils ont une résistance à la traction, ou résistance à la rupture lorsqu'il est étiré, 100 fois supérieure à celle d'un fil d'acier de même taille.

Les tubes sont également utilisés dans les transistors et pourraient un jour remplacer le cuivre dans les puces informatiques. Mais avant que les fabricants puissent produire de tels nanotubes de manière fiable, les scientifiques doivent comprendre plus en détail comment ils se forment.

Les nouvelles découvertes, rapporté dans le journal Carbone en février, contribue à un projet en cours au Laboratoire de nanosynthèse plasma du PPPL qui se concentre sur la croissance de nanoparticules dans les plasmas. Inauguré en 2012, le laboratoire combine l'expertise PPPL en science du plasma avec les capacités en science des matériaux de l'université de Princeton et d'autres institutions et fait partie du département de science et technologie du plasma PPPL dirigé par le physicien Philip Efthimion. Le chercheur principal principal est le physicien Yevgeny Raitses; les co-chercheurs principaux sont les physiciens Igor Kaganovich, directeur adjoint du département théorie de PPPL, et Brentley Stratton, chef de la division diagnostic chez PPPL.

Les scientifiques ont effectué des simulations informatiques à Stony Brook montrant que le plasma, une soupe d'atomes et de particules chargées électriquement, peut donner aux nanotubes de carbone une charge électrique négative. Les simulations ont indiqué qu'un nanotube chargé négativement lierait les atomes de carbone de l'environnement environnant plus longtemps et plus fortement à la surface du tube. Et plus un atome passe de temps attaché au nanotube, plus il est probable qu'il descende vers un amas d'atomes, connu comme un catalyseur métallique, faisant grossir le tube.

"Dans nos recherches, nous avons constaté une augmentation significative du temps passé par les atomes de carbone sur les tubes, " dit Predrag Krstic, professeur de recherche à l'Institute for Advanced Computational Science et co-auteur de l'article. "En conséquence, il y a une augmentation significative de la vitesse de migration des atomes de carbone vers le catalyseur métallique."

La disponibilité accrue d'ordinateurs à grande vitesse a récemment rendu de telles recherches possibles. "Ce qui a changé, c'est que de nos jours, les ordinateurs sont si rapides que nous pouvons modéliser avec précision des phénomènes comme ce qui arrive aux nanotubes lorsqu'ils sont immergés dans le plasma, " dit Kaganovitch, également co-auteur.

Aller de l'avant, les chercheurs prévoient de développer un modèle plus détaillé de la croissance des nanotubes de nitrure de bore et de carbone dans un environnement plasma réel. La puissance de calcul avancée rend possible le développement de ces nouveaux modèles.