Une équipe de recherche de l'Université Purdue a développé une technique de simulation dans le cadre d'un projet visant à réduire le coût des nanostructures de carbone pour la recherche et les technologies commerciales potentielles, y compris les capteurs avancés et les batteries.

Les nanostructures de carbone telles que les nanotubes, les « nanopétales » et les feuilles ultrafines de graphite appelées graphène peuvent trouver une grande variété d'applications en ingénierie et en biosciences. En raison de l'augmentation rapide de leur utilisation au cours de la dernière décennie, les chercheurs travaillent à développer un système de production de masse pour réduire leur coût. Les nanostructures sont fabriquées avec une méthode appelée dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (CVD).

Dans les nouvelles découvertes, les chercheurs ont développé un modèle pour simuler ce qui se passe à l'intérieur de la chambre du réacteur CVD afin d'optimiser les conditions pour une conversion rapide et respectueuse de l'environnement des matières premières, comme le méthane et l'hydrogène, en nanopétales de carbone et autres structures.

« Il y a un mélange très complexe de phénomènes, absorption plasma de la puissance micro-ondes, transfert de chaleur entre le plasma et le gaz et, finalement, la chimie du mélange gazeux réactif qui crée les nanostructures, " a déclaré Alina Alexeenko, professeur agrégé à l'École d'aéronautique et d'astronautique qui dirige les travaux de modélisation. "La modélisation pourrait nous permettre de faire moins d'essais et d'erreurs dans la recherche des conditions qui sont justes pour créer des nanostructures."

Les résultats sont détaillés dans un article publié en ligne dans le Journal de physique appliquée . C'était l'article vedette de l'édition imprimée du 21 mars.

Les nanopétales sont prometteurs en tant que capteur pour détecter le glucose dans la salive ou les larmes et pour les "supercondensateurs" qui pourraient permettre une charge rapide, batteries hautes performances. Cependant, pour que le matériel soit commercialisé, les chercheurs doivent trouver un moyen de le produire en masse à faible coût.

Les chercheurs ont utilisé une technique appelée spectroscopie d'émission optique pour mesurer la température de l'hydrogène dans le plasma et la comparer au résultat de la modélisation. Les résultats ont montré que le modèle correspond aux données expérimentales.

"Le Dr Alexeenko et ses étudiants ont pu capturer l'essence des processus physiques que nous, en tant qu'expérimentateurs, pensait initialement qu'il serait trop difficile à modéliser, " a déclaré Timothy Fisher, le professeur James G. Dwyer en génie mécanique. "Mais maintenant que nous pouvons simuler le processus, nous pourrons d'abord rechercher sur l'ordinateur l'ensemble des conditions qui améliorent le processus afin de guider les prochaines expériences en laboratoire."

La recherche fait partie d'un projet Purdue financé par la National Science Foundation. Il se concentre sur la création d'une méthode de nanofabrication capable de produire en série à faible coût. La technologie sous-jacente a été développée par un groupe de recherche dirigé par Fisher. Il se compose de nanostructures verticales ressemblant à de minuscules pétales de rose en graphène qui pourraient être produites en masse à l'aide de la fabrication roll-to-roll, pilier de nombreuses opérations industrielles, y compris la production de papier et de tôle.

Les nouvelles découvertes ont montré que la production des nanostructures est améliorée et accélérée grâce à la formation de "piliers diélectriques verticaux" dans le réacteur CVD.

"L'implication est que nous comprenons mieux quel est l'effet de ces piliers et reproduirons cet effet par d'autres moyens dans le système roll-to-roll à grande échelle que le Dr Fisher a déjà construit, " Alexeenko a déclaré. " Les simulations quantifient l'effet du pilier et d'autres paramètres, comme la puissance et la pression, sur l'amélioration du plasma."

Les Journal de physique appliquée article a été rédigé par des étudiants diplômés Gayathri Shivkumar, Siva Sashank Tholeti et Majed Alrefae; Pêcheur; et Alexeenko.

Une grande partie de la recherche est basée au Birck Nanotechnology Center dans le Discovery Park de Purdue et fait partie d'une équipe de plasma froid dans le cadre de l'initiative d'équipe prééminente du Purdue College of Engineering.

"L'étape suivante et en cours de cette recherche consiste à appliquer la modélisation au rouleau à rouleau pour la fabrication à grande échelle de nanopétales, " dit Alexeenko. " Aussi, optimiser les conditions du réacteur pour l'efficacité énergétique et les effets environnementaux afin de minimiser la production de produits chimiques toxiques. »