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生产纳米材料的技术取得重大突破!

纳米粒子具有超强耐性结构的碳纳米管,其直径以十亿分之一米为单元,仅是人类头发直径的数千分之一,其遍及用于微型芯片、活动用品、药品等领域。然则,年夜规模分娩高质量的纳米粒子面对着前进组成挑选性、前进组成材料质量、拓荒经济靠得住的组成工艺等一系列寻衅。
但是,美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的研讨可能改变这种景象。PPPL的科学家们现已拓荒出用来资助懂得并增进改进等离子体基组成工艺的确诊目标。这是一种遍及使用纳米粒子,但对纳米粒子的结构懂得缺少的目标。PPPL的科学家和合作者在几篇已揭橥的论文中概述了比来的研讨,这些研讨有助于拓荒可把握、可挑选性制备的具有划定结构的纳米材料。这种根本研讨能够为制作业在各类领域的生长摊平途径。
独特的谈论
本文报导了他们对碳等离子体在原位电弧或电弧张开时的发作进程的独特不雅观观观观观察。研讨人员在两个碳电极之间制作等离子弧,发作一个由原子核和分子构成的热碳蒸气,这些蒸气冷却并组成(浓缩)构成粒子,然后集合在一路开展成纳米结构。
直接不雅观观观观观察的效果导致“懂得碳纳米颗粒在电弧等离子体中开展的首要一步。” PPPL等离子体纳米组成实验室的物理学家Yevgeny Raitses多么体现:“现在的设法主见是将实验效果与盘算机建模联合起来,以改进对进程的把握,一起将咱们所学的知识运用于其他类型的纳米材料以及纳米材料的组成。”
下面的三篇论文关于解开今朝不太懂得的电弧组成进程方面有独特的观点。能源部科学办公室支撑了这项作业。
不雅观观观观观察猜想了纳米管的前体
今日所缺少的是对组成进程中由蒸气构成的纳米管前驱体的详细懂得。这对猜想碳等离子体弧纳米组成机理提出了首要寻衅。
PPPL的新创造预示了这一进程的生长前景。由物理学家Vladislav Vekselman引导并揭橥在“Plasma Sources Science and Technology”杂志上的研讨注解,把握纯碳电弧中碳纳米管组成的是分子前体。个中包括了由两个碳原子构成的“二聚体”。
这一创造为改进碳弧纳米组成的猜想模子打开了新年夜门。Vekselman体现:“这是激光诱惑确诊技巧初度运用于这类组成中,咱们现在知道在碳弧材猜中构成的前驱体的位置和数目。”
PPPL的物理学家Alexander Khrabry进行的仿真效果支撑了这些碳弧组成的定论。PPPL理论部副主任、物理学家Igor Kaganovich体现:“咱们的模子以蒸腾、冷凝和纳米结构构成为物理根本。咱们将此模子运用于现场实验,以生长能够猜想的、经由进程进一步实验来验证的实验效果。”
这种猜想模子现已初步取得开展。PPPL确诊学司司长,等离子体科学与技巧部(该实验室是奈米组成实验室的地址地)副主任Brent Stratton体现:“在组成进程中进行原位丈量对懂得组成进程和建模具有反常年夜的资助。本课题所展示的是实验和建模相联合的效果,能够加深对等离子弧组成的懂得”。
检测纳米粒子开展
为了加深这种懂得,研讨人员必需监测粒子从纳米到原子规范的发作进程。PPPL的研讨现已建立并展示了一种独特的用于原位检测纳米粒子开展的台面激光技巧。“这个定制的确诊技巧有助于解读等离子弧发作纳米粒子的进程。曾经没有任何好的方法来监控这个进程。” PPPL的物理学家AlexandrosGerakis规划了这项技巧,并在“物理谈论运用”杂志上揭橥了该技巧。
这种新方法是根据普林斯顿年夜学的MikhailShneider的猜想提出的,它能够检测出电弧内部和在电弧中活动的粒子。这项技巧能够不雅观观观观观察到年夜约5纳米年夜小的粒子,并可用于丈量其他纳米组成方法所发作的材料。在年夜体积组成进程中对纳米粒子进行原位丈量,能够前进人们对纳米粒子开展机制的了解。
为什么组成会失足
最有出息的纳米材料是能够在工业规模上发作的碳电弧放电单壁碳纳米管。然则这种方法的一个重要缺点是所组成的纳米材料含有许多杂质,个中包括纳米管、碳烟和随机碳粒子的混杂物。
PPPL创造,碳弧的不安定性是这些缺点的重要本源。这种举动导致了两种分娩形式,实验室称之为“组成-ON”,用于纯纳米管的制作;“组成-OFF”,发作不纯的效果。将研讨效果揭橥在“Carbon”杂志上的重要作者、物理学家Shurik Yatom体现:“等离子体弧中的组成有20%是开,80%是关。”
在这些实验中,Yatom使用了一种传统的电弧组成技巧,并在两个电极中的一个阳极中填充了石墨粉和催化剂,创造组成进程是不安定的。实验在主导组成形式和不常见的“组成-ON”形式之间切换。摄像头拍摄到的快速图画和发射光谱的电特征注解,电弧在“组成-ON”形式下直接介入阳极感染,但在“组成-OFF”形式下,空心阳极四周发作振动,无法与石墨粉末和催化剂发作相互感染。
研讨小组还制作了一个勘探安装,在这两种形式之间挑选性地收聚集成的产品。普林斯顿年夜学的Rachel Selinsky对组成的纳米材料进行了评价,他创造绝年夜八成纳米管都是在“组成-ON”形式下搜集的。
研讨效果注解,需要安定电弧使其赓续地与石墨和催化剂触摸,以继续分娩出单壁碳纳米管。他的论文从使用更薄的壁到使用固体复合阳极,提出了几种可行的门道,来继续分娩纳米管一起减少不需要的副产物。
终究,懂得发作这些杂质的原因关于PPPL和其他研讨这个问题的集团都是至关首要的。跟着科学家们继续改进纳米结构的原位表征方法,他们也必需监测电弧举动,理解区别“组成-ON”和“组成-OFF”形式所取得的效果。
参阅文献:V Vekselman, A Khrabry, I Kaganovich, B Stratton, R S Selinsky, Y Raitses. Quantitative imaging of carbon dimer precursor for nanomaterial synthesis in the carbon arc. Plasma Sources Science and Technology, 2018; 27 (2): 025008 DOI: 10.1088/1361-6595/aaa735 原文来自sciencedaily,原文标题为Big steps toward control of production of tiny building blocks,由材料科技在线汇总整理。
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