p Nanopartículas, Estruturas superfortes e flexíveis, como nanotubos de carbono medidos em bilionésimos de metro - um diâmetro milhares de vezes mais fino que um fio de cabelo humano - são usadas em tudo, desde microchips a artigos esportivos e produtos farmacêuticos. Mas a produção em grande escala de partículas de alta qualidade enfrenta desafios que vão desde a melhoria da seletividade da síntese que as cria e da qualidade do material sintetizado até o desenvolvimento de processos de síntese econômicos e confiáveis. p Contudo, esta situação pode mudar como resultado de pesquisas no Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE), onde os cientistas desenvolveram as ferramentas de diagnóstico que estão sendo usadas para promover uma compreensão aprimorada e integrada da síntese baseada em plasma - uma ferramenta amplamente usada, mas mal compreendida para a criação de nanoestruturas. Resumo de cientistas e colaboradores do PPPL, em vários artigos publicados, pesquisas recentes que poderiam ajudar a desenvolver a fabricação controlável e seletiva de nanomateriais com estruturas prescritas. Essa pesquisa básica pode abrir caminho para avanços na manufatura em uma variedade de setores.

p Observações únicas

p Os artigos relatam observações únicas da síntese em plasma de carbono gerado por um arco elétrico in situ, ou conforme o processo se desenrola. Os pesquisadores criam o arco de plasma entre dois eletrodos de carbono, produzindo um vapor de carbono quente composto de núcleos atômicos e moléculas que se resfriam e sintetizam - ou condensam - em partículas que se transformam em nanoestruturas ao se agruparem.

p A observação direta produziu "um grande passo à frente na compreensão de como as nanopartículas de carbono crescem no plasma gerado por arco, "disse o físico Yevgeny Raitses, chefe do Laboratório de Nanosíntese de Plasma do PPPL. "A ideia agora é combinar resultados experimentais com modelagem computacional para melhorar o controle do processo e aplicar o que aprendemos a outros tipos de nanomateriais e síntese de nanomateriais."

p A seguir, apresentamos três artigos que abrem novos caminhos para desvendar o mal compreendido processo de síntese de arco. O suporte para este trabalho vem do DOE Office of Science.

p Precursores de manchas que se tornam nanotubos

p O que falta no conhecimento de hoje é uma compreensão detalhada dos precursores dos nanotubos que são formados a partir do vapor durante a síntese. Isso representa um desafio chave para prever o mecanismo de nanossíntese com um arco de plasma de carbono.

p Para esclarecer esse processo, estão as novas descobertas da PPPL. Pesquisa liderada pelo físico Vladislav Vekselman e relatada na revista Plasma Sources Science and Technology mostra que o que governa a síntese de nanotubos de carbono em um arco elétrico puramente de carbono são precursores moleculares que incluem "dímeros" - moléculas formadas por dois átomos de carbono.

p Essa descoberta abre a porta para uma modelagem preditiva aprimorada de nanossíntese em arcos de carbono. "Esta é a primeira vez que uma técnica de diagnóstico induzida por laser foi aplicada a este tipo de síntese, "Vekselman disse." Agora sabemos onde e quanto precursor é formado no material do arco de carbono. "

p Apoiando essas descobertas estão as simulações da síntese do arco de carbono conduzidas pelo físico do PPPL Alexander Khrabry. "Nossos modelos são baseados na física subjacente da vaporização, condensação e a formação de nanoestruturas, "disse o físico Igor Kaganovich, Chefe Adjunto do Departamento de Teoria do PPPL. "Nós aplicamos isso aos resultados dos experimentos in situ para desenvolver previsões que podem ser testadas com outros experimentos."

p Esses modelos preditivos começaram a progredir. "Ter medições in situ enquanto a síntese ocorre é uma ajuda muito valiosa para a compreensão e modelagem, "disse Brent Stratton, chefe da divisão de diagnóstico do PPPL e vice-diretor do Departamento de Ciência e Tecnologia do Plasma (PS&T) que abriga o laboratório de nanosíntese. "O que este projeto mostra é o valor combinado de experimentos e modelagem para aprofundar a compreensão da síntese de arco de plasma."

p Detecção de crescimento de nanopartículas

p Para promover esse entendimento, os pesquisadores devem monitorar a produção de partículas em tamanhos que variam de nanômetros até a escala atômica. A pesquisa PPPL agora construiu e demonstrou uma técnica de laser de mesa única para a detecção in situ de crescimento de nanopartículas. "Este diagnóstico personalizado ajuda a montar o quebra-cabeça da nanossíntese de arco de plasma, "disse o físico Alexandros Gerakis do PPPL, que projetou a técnica e é o autor principal de sua descrição na revista Physical Review Applied. "Antes não havia uma boa maneira de monitorar o processo."

p O novo método, derivado de uma previsão de Mikhail Shneider da Universidade de Princeton, detecta partículas que fluem dentro e a partir do arco elétrico. A técnica observa partículas com cerca de cinco nanômetros de tamanho, e poderia ser usado para medir materiais criados por outras formas de nanossíntese também. Tal medição in situ de nanopartículas durante a síntese de grande volume pode avançar a compreensão dos mecanismos por trás do crescimento das nanopartículas.

p Por que alguma síntese dá errado

p Entre os tipos mais promissores de nanomateriais estão os nanotubos de carbono de parede única que as descargas de arco de carbono podem produzir em escala industrial. Mas a principal desvantagem desse método é a impureza de grande parte do nanomaterial sintetizado, que inclui uma mistura de nanotubos, fuligem de carbono e partículas de carbono aleatórias

p A principal fonte dessas desvantagens é o comportamento instável dos arcos de carbono, PPPL encontrou. Esse comportamento cria dois modos de produção, que o laboratório chama de "síntese ligada, "para a fabricação pura de nanotubos, e "desligamento da síntese, "para resultados impuros." A síntese em arcos de plasma é 20 por cento ligada e 80 por cento desligada, "disse o físico Shurik Yatom, autor principal dos resultados publicados na revista Carbono .

p Nestes experimentos, Yatom usou uma técnica de síntese de arco convencional e encheu um dos dois eletrodos - chamado de "ânodo" - com pó de grafite e um catalisador e descobriu que a síntese era errática, alternar entre o modo de síntese dominante desativado e o modo de síntese ativado, muito menos comum. Imagens de câmera rápida, características elétricas e espectros de emissão mostraram que o arco envolveu o conteúdo do ânodo diretamente no modo de síntese ligado, mas oscilou em torno do ânodo oco no modo de síntese desligada e foi incapaz de interagir com o grafite em pó e o catalisador no interior.

p A equipe também construiu um dispositivo de sondagem para coletar seletivamente o produto sintetizado entre os dois modos. Avaliando os nanomateriais sintetizados estava Rachel Selinsky da Universidade de Princeton, que descobriu que a grande maioria dos nanotubos foi coletada durante o modo "síntese ligada".

p As descobertas revelaram a necessidade de estabilizar o arco para que ele envolvesse constantemente o grafite e o catalisador para a produção contínua de nanotubos de carbono de parede única. O artigo propõe vários caminhos a seguir, variando do uso de anodos de paredes mais finas a sólidos compostos para a produção de nanotubos de maneira contínua com menos subprodutos indesejados.

p Finalmente, compreender a causa de tais impurezas é crucial para pesquisas futuras no PPPL e em outros lugares. À medida que os cientistas continuam a desenvolver métodos de caracterização in situ para nanoestruturas, eles devem monitorar o comportamento do arco e distinguir entre os resultados obtidos nos modos de síntese ligada e síntese desligada.

p Daqui para frente, PPPL realiza medições in situ de nanotubos de plasma sintetizados a partir de nitreto de boro, um material promissor com aplicações aeroespaciais e eletrônicas.