Uma equipe de pesquisa da Purdue University desenvolveu uma técnica de simulação como parte de um projeto para ajudar a reduzir o custo das nanoestruturas de carbono para pesquisa e tecnologias comerciais potenciais, incluindo sensores e baterias avançados.

Nanoestruturas de carbono, como nanotubos, "nanopetais" e folhas ultrafinas de grafite chamadas grafeno podem encontrar uma ampla variedade de aplicações em engenharia e biociências. Devido ao rápido aumento de seu uso na última década, pesquisadores estão trabalhando para desenvolver um sistema de produção em massa para reduzir seus custos. As nanoestruturas são fabricadas com um método chamado deposição química de vapor aprimorada por plasma (CVD).

Em novas descobertas, pesquisadores desenvolveram um modelo para simular o que acontece dentro da câmara do reator CVD para otimizar as condições de conversão rápida e ecologicamente correta de matérias-primas, como metano e hidrogênio, em nanopetais de carbono e outras estruturas.

"Há uma mistura muito complexa de fenômenos, absorção de plasma de potência de microondas, transferência de calor entre plasma e gás e, em última análise, a química da mistura de gás reagente que cria as nanoestruturas, "disse Alina Alexeenko, um professor associado da Escola de Aeronáutica e Astronáutica que está liderando o trabalho de modelagem. "A modelagem pode nos permitir fazer menos tentativas e erros na busca de condições ideais para criar nanoestruturas."

As descobertas são detalhadas em um artigo publicado online no Journal of Applied Physics . Foi o artigo de destaque da edição impressa da revista de 21 de março.

Os nanopetais são promissores como sensores para detectar glicose na saliva ou lágrimas e como "supercapacitores" que poderiam possibilitar o carregamento rápido, baterias de alto desempenho. Contudo, para que o material seja comercializado, os pesquisadores devem encontrar uma maneira de produzi-lo em massa com baixo custo.

Os pesquisadores usaram uma técnica chamada espectroscopia de emissão óptica para medir a temperatura do hidrogênio no plasma e compará-la com o resultado da modelagem. Os resultados mostraram que o modelo corresponde aos dados experimentais.

"A Dra. Alexeenko e seus alunos foram capazes de capturar a essência dos processos físicos que nós, como experimentalistas, inicialmente acreditado que seria muito difícil de modelar, "disse Timothy Fisher, o professor James G. Dwyer em Engenharia Mecânica. "Mas agora que podemos simular o processo, poderemos procurar primeiro no computador o conjunto de condições que melhoram o processo para orientar os próximos experimentos no laboratório. "

A pesquisa faz parte de um projeto Purdue financiado pela National Science Foundation. Ele se concentra na criação de um método de nanofabricação que seja capaz de produção em massa a baixo custo. A tecnologia subjacente foi desenvolvida por um grupo de pesquisa liderado por Fisher. Consiste em nanoestruturas verticais semelhantes a pequenas pétalas de rosa feitas de grafeno que podem ser produzidas em massa usando a manufatura rolo a rolo, um esteio de muitas operações industriais, incluindo a produção de papel e chapa metálica.

As novas descobertas mostraram que a produção das nanoestruturas é aprimorada e acelerada por meio da formação de "pilares dielétricos verticais" no reator CVD.

"A implicação é que entendemos melhor qual é o efeito desses pilares e iremos reproduzir esse efeito por outros meios no sistema roll-to-roll em grande escala que o Dr. Fisher já construiu, "Alexeenko disse." As simulações quantificam o efeito do pilar e outros parâmetros, como potência e pressão, no aumento do plasma. "

o Journal of Applied Physics artigo foi escrito por estudantes de graduação Gayathri Shivkumar, Siva Sashank Tholeti e Majed Alrefae; Fisher; e Alexeenko.

Grande parte da pesquisa é baseada no Centro de Nanotecnologia Birck em Purdue's Discovery Park e faz parte de uma equipe de plasma frio sob a proeminente iniciativa da equipe Purdue College of Engineering.

"A próxima etapa desta pesquisa é aplicar a modelagem rolo a rolo para a fabricação em larga escala de nanopetais, "Alexeenko disse." Além disso, otimizar as condições do reator para eficiência energética e efeitos ambientais para minimizar a produção de produtos químicos tóxicos. "