Un team di ricerca della Purdue University ha sviluppato una tecnica di simulazione come parte di un progetto per aiutare a ridurre il costo delle nanostrutture di carbonio per la ricerca e potenziali tecnologie commerciali, inclusi sensori avanzati e batterie.

Nanostrutture di carbonio come nanotubi, "nanopetali" e fogli ultrasottili di grafite chiamati grafene possono trovare un'ampia varietà di applicazioni in ingegneria e bioscienze. A causa del rapido aumento del loro utilizzo negli ultimi dieci anni, i ricercatori stanno lavorando per sviluppare un sistema di produzione di massa per ridurre i loro costi. Le nanostrutture sono prodotte con un metodo chiamato deposizione chimica in fase vapore potenziata dal plasma (CVD).

Nelle nuove scoperte, i ricercatori hanno sviluppato un modello per simulare ciò che accade all'interno della camera del reattore CVD per ottimizzare le condizioni per una conversione rapida ed ecologica delle materie prime, come metano e idrogeno, in nanopetali di carbonio e altre strutture.

"Esiste un insieme molto complesso di fenomeni, assorbimento al plasma della potenza delle microonde, trasferimento di calore tra plasma e gas e, in definitiva, la chimica della miscela di gas reagenti che crea le nanostrutture, " ha detto Alina Alexeenko, un professore associato presso la Scuola di Aeronautica e Astronautica che sta guidando il lavoro di modellazione. "La modellazione potrebbe consentirci di fare meno tentativi ed errori nella ricerca delle condizioni giuste per creare nanostrutture".

I risultati sono dettagliati in un documento pubblicato online nel Rivista di fisica applicata . Era l'articolo in evidenza dell'edizione cartacea della rivista del 21 marzo.

I nanopetali si mostrano promettenti come sensori per rilevare il glucosio nella saliva o nelle lacrime e per i "supercondensatori" che potrebbero rendere possibile la ricarica rapida, batterie ad alte prestazioni. Però, affinché il materiale possa essere commercializzato, i ricercatori devono trovare un modo per produrlo in serie a basso costo.

I ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata spettroscopia di emissione ottica per misurare la temperatura dell'idrogeno nel plasma e confrontarla con il risultato della modellazione. I risultati hanno mostrato che il modello corrisponde ai dati sperimentali.

"La dottoressa Alexeenko e i suoi studenti sono stati in grado di catturare l'essenza dei processi fisici che noi, come sperimentatori, inizialmente creduto sarebbe stato troppo difficile da modellare, " disse Timothy Fisher, il professore James G. Dwyer in ingegneria meccanica. "Ma ora che possiamo simulare il processo, saremo in grado di cercare prima sul computer l'insieme di condizioni che migliorano il processo per guidare i prossimi esperimenti in laboratorio."

La ricerca fa parte di un progetto Purdue finanziato dalla National Science Foundation. Si concentra sulla creazione di un metodo di nanofabbricazione in grado di produrre in serie a basso costo. La tecnologia sottostante è stata sviluppata da un gruppo di ricerca guidato da Fisher. Consiste di nanostrutture verticali simili a minuscoli petali di rosa fatti di grafene che potrebbero essere prodotti in serie utilizzando la produzione roll-to-roll, un pilastro di molte operazioni industriali, compresa la produzione di carta e lamiera.

Le nuove scoperte hanno mostrato che la produzione delle nanostrutture è migliorata e accelerata attraverso la formazione di "pilastri dielettrici verticali" nel reattore CVD.

"L'implicazione è che capiamo meglio quale sia l'effetto di questi pilastri e riprodurremo questo effetto con altri mezzi nel sistema roll-to-roll su larga scala che il Dr. Fisher ha già costruito, " ha detto Alexeenko. "Le simulazioni quantificano l'effetto del pilastro e altri parametri, come potenza e pressione, sul potenziamento del plasma."

Il Rivista di fisica applicata documento è stato scritto da studenti laureati Gayathri Shivkumar, Siva Sashank Tholeti e Majed Alrefae; Pescatore; e Alexeenko.

Gran parte della ricerca si svolge presso il Birck Nanotechnology Center nel Discovery Park di Purdue e fa parte di un team di plasma freddo nell'ambito dell'iniziativa di squadra preminente del Purdue College of Engineering.

"Il passo successivo e in corso in questa ricerca è applicare la modellazione al roll-to-roll per la produzione su larga scala di nanopetali, " ha detto Alexeenko. "Inoltre, ottimizzare le condizioni del reattore per l'efficienza energetica e gli effetti ambientali per ridurre al minimo la produzione di sostanze chimiche tossiche".