Nanoparticules, des structures ultrarésistantes et flexibles telles que les nanotubes de carbone mesurés en milliardièmes de mètre – un diamètre des milliers de fois plus fin qu'un cheveu humain – sont utilisées dans tout, des puces électroniques aux articles de sport en passant par les produits pharmaceutiques. Mais la production à grande échelle de particules de haute qualité est confrontée à des défis allant de l'amélioration de la sélectivité de la synthèse qui les crée et de la qualité du matériau synthétisé au développement de procédés de synthèse économiques et fiables.

Cependant, cette situation pourrait changer à la suite de recherches menées au Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE), où les scientifiques ont développé les outils de diagnostic qui sont utilisés pour faire progresser une compréhension améliorée et intégrée de la synthèse à base de plasma, un outil largement utilisé mais mal compris pour créer des nanostructures. Les scientifiques et collaborateurs du PPPL décrivent, dans plusieurs articles publiés, des recherches récentes qui pourraient aider à développer une fabrication contrôlable et sélective de nanomatériaux avec des structures prescrites. Une telle recherche fondamentale pourrait ouvrir la voie à des avancées manufacturières dans diverses industries.

Observations uniques

Les articles rapportent des observations uniques de la synthèse dans le plasma de carbone généré par un arc électrique in situ, ou au fur et à mesure du déroulement du processus. Les chercheurs créent l'arc plasma entre deux électrodes de carbone, produisant une vapeur de carbone chaude composée de noyaux atomiques et de molécules qui se refroidissent et se synthétisent (ou se condensent) en particules qui se transforment en nanostructures en se regroupant.

L'observation directe a produit « un grand pas en avant dans la compréhension de la croissance des nanoparticules de carbone dans le plasma généré par l'arc, " a déclaré le physicien Yevgeny Raitses, responsable du Laboratoire de nanosynthèse plasma au PPPL. "L'idée est maintenant de combiner les résultats expérimentaux avec la modélisation informatique pour un meilleur contrôle du processus et d'appliquer ce que nous apprenons à d'autres types de nanomatériaux et de synthèse de nanomatériaux."

Voici un aperçu de trois articles qui innovent pour démêler le processus de synthèse d'arc mal compris. Le soutien pour ce travail vient du DOE Office of Science.

Repérer les précurseurs qui deviennent des nanotubes

Il manque dans les connaissances actuelles une compréhension détaillée des précurseurs des nanotubes qui se forment à partir de la vapeur lors de la synthèse. Cela pose un défi majeur pour prédire le mécanisme de la nanosynthèse avec un arc plasma de carbone.

De nouvelles découvertes à PPPL viennent éclairer ce processus. Les recherches menées par le physicien Vladislav Vekselman et rapportées dans la revue Plasma Sources Science and Technology montrent que ce qui régit la synthèse des nanotubes de carbone dans un arc électrique purement carboné, ce sont des précurseurs moléculaires qui incluent des "dimères", des molécules formées de deux atomes de carbone.

Cette découverte ouvre la porte à une meilleure modélisation prédictive de la nanosynthèse dans les arcs de carbone. « C'est la première fois qu'une technique de diagnostic induite par laser est appliquée à ce type de synthèse, " a déclaré Vekselman. "Nous savons maintenant où et combien de précurseur se forme dans le matériau de l'arc de carbone."

À l'appui de ces résultats, des simulations de synthèse d'arc de carbone menées par le physicien PPPL Alexander Khrabry. "Nos modèles sont basés sur la physique sous-jacente de la vaporisation, condensation et formation de nanostructures, " a déclaré le physicien Igor Kaganovich, directeur adjoint du département de théorie PPPL. "Nous appliquons cela aux résultats des expériences in situ pour développer des prédictions qui peuvent être testées avec d'autres expériences."

De tels modèles prédictifs ont commencé à faire des progrès. « Disposer de mesures in situ lors de la synthèse est une aide très précieuse pour la compréhension et la modélisation, " a déclaré Brent Stratton, chef de la division diagnostic du PPPL et directeur adjoint du département Science et Technologie du Plasma (PS&T) qui abrite le laboratoire de nanosynthèse. "Ce que ce projet montre, c'est la valeur combinée des expériences et de la modélisation pour approfondir la compréhension de la synthèse de l'arc plasma."

Détecter la croissance des nanoparticules

Pour approfondir cette compréhension, les chercheurs doivent surveiller la production de particules de tailles allant du nanomètre jusqu'à l'échelle atomique. La recherche PPPL a maintenant construit et démontré une technique laser de table unique pour la détection in situ de la croissance des nanoparticules. « Ce diagnostic sur mesure permet de reconstituer le puzzle de la nanosynthèse à arc plasma, " a déclaré le physicien Alexandros Gerakis de PPPL, qui a conçu la technique et est l'auteur principal de sa description dans la revue Physical Review Applied. "Il n'y avait eu auparavant aucun bon moyen de surveiller le processus."

La nouvelle méthode, dérivé d'une prédiction de Mikhail Shneider de l'Université de Princeton, détecte les particules qui s'écoulent à l'intérieur et à partir de l'arc électrique. La technique permet d'observer des particules d'une taille d'environ cinq nanomètres, et pourrait également être utilisé pour mesurer les matériaux créés par d'autres formes de nanosynthèse. Une telle mesure in situ des nanoparticules lors de la synthèse à grand volume pourrait faire progresser la compréhension des mécanismes à l'origine de la croissance des nanoparticules.

Pourquoi certaines synthèses tournent mal

Parmi les types de nanomatériaux les plus prometteurs figurent les nanotubes de carbone à paroi unique que les décharges d'arc de carbone peuvent produire à l'échelle industrielle. Mais un inconvénient majeur de cette méthode est l'impureté d'une grande partie du nanomatériau synthétisé, qui comprend un mélange de nanotubes, suie de carbone et particules de carbone aléatoires

Une source principale de ces inconvénients est le comportement instable des arcs de carbone, PPPL a trouvé. Un tel comportement crée deux modes de production, que le laboratoire appelle "synthèse-on, " pour la fabrication de nanotubes purs, et "synthèse désactivée, " pour des résultats impurs. " La synthèse dans les arcs plasma est de 20 % activée et de 80 % désactivée, " a déclaré le physicien Shurik Yatom, auteur principal des résultats publiés dans la revue Carbone .

Dans ces expériences, Yatom a utilisé une technique de synthèse à l'arc conventionnelle et a rempli l'une des deux électrodes - appelée "anode" - avec de la poudre de graphite et un catalyseur et a constaté que la synthèse était erratique, basculer entre le mode de synthèse désactivé dominant et le mode de synthèse activé beaucoup moins courant. Images de caméra rapide, les caractéristiques électriques et les spectres d'émission ont montré que l'arc engageait le contenu de l'anode directement en mode synthèse, mais a oscillé autour de l'anode creuse en mode d'arrêt de la synthèse et n'a pas pu interagir avec le graphite en poudre et le catalyseur à l'intérieur.

L'équipe a également construit un dispositif de sonde pour collecter sélectivement le produit synthétisé entre les deux modes. L'évaluation des nanomatériaux synthétisés était Rachel Selinsky de l'Université de Princeton, qui a découvert que la grande majorité des nanotubes étaient collectés pendant le mode "synthèse en marche".

Les résultats ont révélé la nécessité de stabiliser l'arc afin qu'il engage constamment le graphite et le catalyseur pour la production continue de nanotubes de carbone à paroi unique. Le document propose plusieurs voies pour aller de l'avant, allant de l'utilisation d'anodes composites à parois plus minces à solides pour la production de nanotubes de manière continue avec moins de sous-produits indésirables.

Finalement, comprendre la cause de ces impuretés est crucial pour les recherches futures à PPPL et ailleurs. Alors que les scientifiques continuent de développer des méthodes de caractérisation in situ pour les nanostructures, ils doivent surveiller le comportement de l'arc et distinguer les résultats obtenus dans les modes synthèse activée et désactivée.

Aller de l'avant, PPPL réalise des mesures in situ de nanotubes de plasma synthétisés à partir de nitrure de bore, un matériau prometteur avec des applications aérospatiales et électroniques.