Nanoparticelle, Strutture super resistenti e flessibili come i nanotubi di carbonio che si misurano in miliardesimi di metro, un diametro migliaia di volte più sottile di un capello umano, sono utilizzate in tutto, dai microchip agli articoli sportivi ai prodotti farmaceutici. Ma la produzione su larga scala di particelle di alta qualità deve affrontare sfide che vanno dal miglioramento della selettività della sintesi che le crea e della qualità del materiale sintetizzato allo sviluppo di processi di sintesi economici e affidabili.

Però, questa situazione potrebbe cambiare a seguito della ricerca presso il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), dove gli scienziati hanno sviluppato gli strumenti diagnostici che vengono utilizzati per far progredire una comprensione migliore e integrata della sintesi basata sul plasma, uno strumento ampiamente utilizzato ma poco compreso per la creazione di nanostrutture. Gli scienziati e i collaboratori del PPPL delineano, in diversi articoli pubblicati, recenti ricerche che potrebbero aiutare a sviluppare la fabbricazione controllabile e selettiva di nanomateriali con strutture prescritte. Tale ricerca di base potrebbe aprire la strada a progressi nella produzione in una varietà di settori.

Osservazioni uniche

I documenti riportano osservazioni uniche della sintesi in plasma di carbonio generato da un arco elettrico in situ, o mentre il processo si svolge. I ricercatori creano l'arco plasma tra due elettrodi di carbonio, producendo un vapore di carbonio caldo composto da nuclei atomici e molecole che si raffreddano e sintetizzano, o si condensano, in particelle che crescono in nanostrutture raggruppandosi insieme.

L'osservazione diretta ha prodotto "un grande passo avanti nella comprensione di come le nanoparticelle di carbonio crescano nel plasma generato dall'arco, " disse il fisico Evgenij Raitses, capo del Laboratorio di Nanosintesi del Plasma presso PPPL. "L'idea ora è quella di combinare i risultati sperimentali con la modellazione al computer per un migliore controllo del processo e applicare ciò che apprendiamo ad altri tipi di nanomateriali e alla sintesi di nanomateriali".

Di seguito è riportato uno sguardo a tre articoli che aprono nuovi orizzonti nel svelare il processo di sintesi dell'arco poco compreso. Il supporto per questo lavoro viene dal DOE Office of Science.

Individuazione di precursori che diventano nanotubi

Manca alla conoscenza odierna una comprensione dettagliata dei precursori dei nanotubi che si formano dal vapore durante la sintesi. Ciò rappresenta una sfida chiave per prevedere il meccanismo della nanosintesi con un arco al plasma di carbonio.

A far luce su questo processo sono le nuove scoperte di PPPL. La ricerca condotta dal fisico Vladislav Vekselman e riportata sulla rivista Plasma Sources Science and Technology mostra che ciò che governa la sintesi dei nanotubi di carbonio in un arco elettrico puramente di carbonio sono precursori molecolari che includono "dimeri", molecole formate da due atomi di carbonio.

Questa scoperta apre le porte a una migliore modellazione predittiva della nanosintesi negli archi di carbonio. "E' la prima volta che una tecnica diagnostica indotta dal laser è stata applicata a questo tipo di sintesi, "Vekselman ha detto. "Ora sappiamo dove e quanto precursore si forma nel materiale dell'arco di carbonio".

A sostegno di questi risultati ci sono le simulazioni della sintesi dell'arco di carbonio condotte dal fisico della PPPL Alexander Khrabry. "I nostri modelli si basano sulla fisica sottostante della vaporizzazione, condensazione e formazione di nanostrutture, " ha detto il fisico Igor Kaganovich, vice capo del dipartimento di teoria del PPPL. "Applichiamo questo ai risultati degli esperimenti in situ per sviluppare previsioni che possono essere testate con ulteriori esperimenti".

Tali modelli predittivi hanno iniziato a fare progressi. "Avere misurazioni in situ mentre avviene la sintesi è un aiuto molto prezioso per la comprensione e la modellazione, " ha detto Brent Stratton, capo della divisione diagnostica del PPPL e vicedirettore del Dipartimento di Scienza e Tecnologia del Plasma (PS&T) che ospita il laboratorio di nanosintesi. "Ciò che questo progetto mostra è il valore combinato di esperimenti e modelli per approfondire la comprensione della sintesi dell'arco plasma".

Rilevamento della crescita di nanoparticelle

Per favorire tale comprensione, i ricercatori devono monitorare la produzione di particelle di dimensioni che vanno dai nanometri fino alla scala atomica. La ricerca PPPL ha ora costruito e dimostrato una tecnica laser da tavolo unica per il rilevamento in situ della crescita di nanoparticelle. "Questa diagnostica su misura aiuta a mettere insieme il puzzle della nanosintesi dell'arco al plasma, " ha detto il fisico Alexandros Gerakis di PPPL, che ha progettato la tecnica ed è l'autore principale della sua descrizione nella rivista Physical Review Applied. "In precedenza non esisteva un buon modo per monitorare il processo".

Il nuovo metodo, derivato da una previsione di Mikhail Shneider della Princeton University, rileva le particelle che fluiscono all'interno e dall'arco elettrico. La tecnica osserva particelle di dimensioni di circa cinque nanometri, e potrebbe essere utilizzato anche per misurare materiali creati da altre forme di nanosintesi. Tale misurazione in situ delle nanoparticelle durante la sintesi di grandi volumi potrebbe far progredire la comprensione dei meccanismi alla base della crescita delle nanoparticelle.

Perché alcune sintesi vanno male

Tra i tipi più promettenti di nanomateriali ci sono i nanotubi di carbonio a parete singola che le scariche ad arco di carbonio possono produrre su scala industriale. Ma uno svantaggio chiave di questo metodo è l'impurità di gran parte del nanomateriale sintetizzato, che include un mix di nanotubi, fuliggine di carbonio e particelle di carbonio casuali

Una delle principali fonti di questi inconvenienti è il comportamento instabile degli archi di carbonio, PPPL ha trovato. Tale comportamento crea due modi di produzione, che il laboratorio chiama "sintesi-on, " per la fabbricazione di nanotubi puri, e "sintesi-off, " per risultati impuri. "La sintesi negli archi plasma è del 20 percento attiva e dell'80 percento disattivata, " ha detto il fisico Shurik Yatom, autore principale dei risultati pubblicati sulla rivista Carbonio .

In questi esperimenti, Yatom ha usato una tecnica di sintesi ad arco convenzionale e ha riempito uno dei due elettrodi, chiamato "anodo", con polvere di grafite e un catalizzatore e ha scoperto che la sintesi era irregolare, commutazione tra la modalità di attivazione della sintesi dominante e la modalità di attivazione della sintesi molto meno comune. Immagini veloci, le caratteristiche elettriche e gli spettri di emissione hanno mostrato che l'arco impegna il contenuto dell'anodo direttamente in modalità di sintesi, ma oscillava attorno all'anodo cavo nella modalità di disattivazione della sintesi e non era in grado di interagire con la grafite in polvere e il catalizzatore all'interno.

Il team ha anche costruito un dispositivo di indagine per raccogliere selettivamente il prodotto sintetizzato tra le due modalità. La valutazione dei nanomateriali sintetizzati è stata Rachel Selinsky della Princeton University, che ha scoperto che la stragrande maggioranza dei nanotubi è stata raccolta durante la modalità "sintesi attiva".

I risultati hanno rivelato la necessità di stabilizzare l'arco in modo che coinvolga costantemente la grafite e il catalizzatore per la produzione continua di nanotubi di carbonio a parete singola. Il documento propone diversi percorsi per il futuro, che vanno dall'uso di anodi compositi con pareti più sottili a solidi per la produzione di nanotubi in modo continuo con meno sottoprodotti indesiderati.

Finalmente, comprendere la causa di tali impurità è cruciale per la ricerca futura al PPPL e altrove. Mentre gli scienziati continuano a sviluppare metodi di caratterizzazione in situ per le nanostrutture, devono monitorare il comportamento dell'arco e distinguere tra i risultati ottenuti nelle modalità di attivazione e disattivazione.

Andando avanti, PPPL effettua misurazioni in situ di nanotubi di plasma sintetizzati da nitruro di boro, un materiale promettente con applicazioni aerospaziali ed elettroniche.