I ricercatori hanno sviluppato un'intuizione che potrebbe facilitare la produzione di microscopici nanotubi di carbonio, strutture migliaia di volte più sottili di un capello umano utilizzato in tutto, dai microchip agli articoli sportivi ai prodotti farmaceutici. La ricerca degli scienziati del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) potrebbe garantire che la fabbricazione formi i nanotubi nel modo più efficiente possibile.

I risultati sono tra le recenti ricerche di scienziati che lavorano nel laboratorio PPPL per la nanosintesi del plasma, che apre la strada alla ricerca sul plasma a bassa temperatura per migliorare la produzione di nanotubi e altre nanoparticelle. La struttura di sei anni ha sviluppato un flusso costante di intuizioni che potrebbero far avanzare quella produzione.

I nanotubi si misurano in miliardesimi di metro e la loro flessibilità e resistenza sono notevoli. In linea di principio, la loro resistenza alla trazione, o resistenza alla rottura quando allungato, è 100 volte maggiore di quella di un filo di acciaio della stessa misura. Gli scienziati stanno cercando di aumentare la loro comprensione di una tecnica ampiamente utilizzata che coinvolge l'elettricità per creare plasma, che viene poi utilizzato per creare nanotubi.

Gli ingegneri utilizzano correnti elettriche note come archi per vaporizzare atomi di carbonio o altro materiale da un componente positivo noto come anodo. Una volta sotto forma di gas, gli atomi rilasciati possono unirsi in nanotubi e altre strutture che possono essere utilizzate al posto del silicio nei chip dei computer per aumentare le prestazioni e l'efficienza energetica. Una migliore comprensione potrebbe rendere più affidabile il processo produttivo e aumentare la qualità dei nanotubi.

I fisici PPPL hanno prodotto un modello che mostra che la formazione di nanoparticelle dipende da diversi fattori. Il modello mostra che quando la corrente elettrica passa da bassa ad alta resistenza, l'evaporazione, o ablazione, anche la velocità degli atomi di carbonio passa da bassa ad alta. Questa scoperta è importante perché i ricercatori vogliono controllare l'ablazione a una velocità moderata anziché rapida durante l'esecuzione di esperimenti e la creazione di nanoparticelle per l'industria.

Il fattore chiave nel tasso di ablazione è la sua dipendenza dal gas elio di fondo, che riempie lo spazio all'interno di una camera metallica cava che ospita gli elettrodi. "Questo è il fattore cruciale che i modelli precedenti ignoravano, " ha detto l'ex fisico PPPL Alexander Khrabry, autore principale di un articolo che riporta i risultati in Rivista di fisica applicata . "Il gas cattura gli atomi di carbonio durante l'ablazione e li tiene vicino alla superficie dell'elettrodo. Gli atomi poi ricadono sull'elettrodo. In determinate condizioni, il flusso tra il gas e gli elettrodi è sufficientemente elevato da portare alla rapida transizione da un tasso di ablazione basso ad uno alto, che non è quello che vogliamo."

Nella ricerca correlata, gli scienziati hanno sviluppato una nuova spiegazione per la formazione di punti caldi su uno dei componenti elettrici che elimina il carbonio per aiutare a creare i nanotubi. Gli scienziati avevano precedentemente pensato che le macchie, che si formano al componente caricato positivamente e interferiscono con la produzione di nanotubi, derivano da instabilità nella corrente che scorre verso il componente caricato negativamente come un fulmine che scorre dalle nuvole al suolo.

La nuova ricerca indica che le macchie si formano a causa del modo in cui il calore si diffonde all'interno dell'anodo, il che significa che le proprietà dell'anodo aiutano a determinare come e quando si formano i punti caldi. I punti caldi possono ridurre il numero di atomi di carbonio che evaporano dalla superficie dell'anodo e quindi ridurre il numero di nanotubi creati. Una maggiore comprensione della formazione degli spot potrebbe portare a intuizioni su come ridurli o eliminarli.

Il processo funziona in questo modo:il calore del plasma scorre all'interno dell'anodo e si dissipa sulla sua superficie, creando un punto ad alta temperatura. Le proprietà dell'anodo che determinano il flusso di calore sono quindi importanti per la formazione di punti e la fabbricazione di nanotubi. Il ruolo dell'anodo era stato trascurato in passato.

Una migliore comprensione di tali processi fondamentali pone le basi per futuri progressi.