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 納米粒子具有超強韌性結(jié)構(gòu)的碳納米管，其直徑以十億分之一米為單位，僅是人類頭發(fā)直徑的數(shù)千分之一，其廣泛用于微型芯片、運動用品、藥品等領(lǐng)域。但是，大規(guī)模生產(chǎn)高質(zhì)量的納米粒子面臨著提高合成選擇性、提高合成材料質(zhì)量、開發(fā)經(jīng)濟可靠的合成工藝等一系列挑戰(zhàn)。

然而，美國能源部普林斯頓等離子體物理實驗室(PPPL)的研究可能改變這種情況。PPPL的科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出用來幫助理解并促進(jìn)改進(jìn)等離子體基合成工藝的診斷工具。這是一種廣泛使用納米粒子，但對納米粒子的結(jié)構(gòu)理解不足的工具。PPPL的科學(xué)家和合作者在幾篇已發(fā)表的論文中概述了最近的研究，這些研究有助于開發(fā)可控制、可選擇性制備的具有規(guī)定結(jié)構(gòu)的納米材料。這種基礎(chǔ)研究可以為制造業(yè)在各種領(lǐng)域的發(fā)展鋪平道路。

獨特的評論

本文報道了他們對碳等離子體在原位電弧或電弧展開時的產(chǎn)生過程的獨特觀察。研究人員在兩個碳電極之間制造等離子弧，產(chǎn)生一個由原子核和分子組成的熱碳蒸氣，這些蒸氣冷卻并合成（濃縮）形成粒子，然后聚集在一起生長成納米結(jié)構(gòu)。

直接觀察的結(jié)果導(dǎo)致“了解碳納米顆粒在電弧等離子體中生長的重要一步。” PPPL等離子體納米合成實驗室的物理學(xué)家Yevgeny Raitses這樣表示：“現(xiàn)在的想法是將實驗結(jié)果與計算機建模結(jié)合起來，以改進(jìn)對過程的控制，同時將我們所學(xué)的知識應(yīng)用于其他類型的納米材料以及納米材料的合成。”

下面的三篇論文對于解開目前不太了解的電弧合成過程方面有獨特的見解。能源部科學(xué)辦公室支持了這項工作。

觀察預(yù)測了納米管的前體

今天所缺少的是對合成過程中由蒸氣形成的納米管前驅(qū)體的詳細(xì)了解。這對預(yù)測碳等離子體弧納米合成機理提出了重要挑戰(zhàn)。

PPPL的新發(fā)現(xiàn)預(yù)示了這一過程的發(fā)展前景。由物理學(xué)家Vladislav Vekselman領(lǐng)導(dǎo)并發(fā)表在“Plasma Sources Science and Technology”雜志上的研究表明，控制純碳電弧中碳納米管合成的是分子前體。其中包括了由兩個碳原子形成的“二聚體”。

這一發(fā)現(xiàn)為改進(jìn)碳弧納米合成的預(yù)測模型打開了新大門。Vekselman表示：“這是激光誘導(dǎo)診斷技術(shù)首次應(yīng)用于這類合成中，我們現(xiàn)在知道在碳弧材料中形成的前驅(qū)體的位置和數(shù)量。”

PPPL的物理學(xué)家Alexander Khrabry進(jìn)行的仿真結(jié)果支持了這些碳弧合成的結(jié)論。PPPL理論部副主任、物理學(xué)家Igor Kaganovich表示：“我們的模型以蒸發(fā)、冷凝和納米結(jié)構(gòu)形成為物理基礎(chǔ)。我們將此模型應(yīng)用于現(xiàn)場實驗，以發(fā)展可以預(yù)測的、通過進(jìn)一步實驗來驗證的實驗結(jié)果。”

這種預(yù)測模型已經(jīng)開始取得進(jìn)展。PPPL診斷學(xué)司司長，等離子體科學(xué)與技術(shù)部（該實驗室是奈米合成實驗室的所在地）副主任Brent Stratton表示：“在合成過程中進(jìn)行原位測量對理解合成過程和建模具有非常大的幫助。本課題所展示的是實驗和建模相結(jié)合的成果，可以加深對等離子弧合成的理解”。

檢測納米粒子生長

為了加深這種理解，研究人員必須監(jiān)測粒子從納米到原子尺度的產(chǎn)生過程。PPPL的研究已經(jīng)建立并展示了一種獨特的用于原位檢測納米粒子生長的臺面激光技術(shù)。“這個定制的診斷技術(shù)有助于解讀等離子弧產(chǎn)生納米粒子的過程。以前沒有任何好的方法來監(jiān)控這個過程。” PPPL的物理學(xué)家AlexandrosGerakis設(shè)計了這項技術(shù)，并在“物理評論應(yīng)用”雜志上發(fā)表了該技術(shù)。

這種新方法是根據(jù)普林斯頓大學(xué)的MikhailShneider的預(yù)測提出的，它可以檢測出電弧內(nèi)部和在電弧中流動的粒子。這項技術(shù)可以觀察到大約5納米大小的粒子，并可用于測量其他納米合成方法所產(chǎn)生的材料。在大體積合成過程中對納米粒子進(jìn)行原位測量，可以提高人們對納米粒子生長機制的認(rèn)識。

為什么合成會出錯

最有前途的納米材料是可以在工業(yè)規(guī)模上產(chǎn)生的碳電弧放電單壁碳納米管。但是這種方法的一個主要缺點是所合成的納米材料含有許多雜質(zhì)，其中包括納米管、碳煙和隨機碳粒子的混合物。

PPPL發(fā)現(xiàn)，碳弧的不穩(wěn)定性是這些缺點的主要根源。這種行為導(dǎo)致了兩種生產(chǎn)模式，實驗室稱之為“合成-ON”，用于純納米管的制造；“合成-OFF”，產(chǎn)生不純的結(jié)果。將研究結(jié)果發(fā)表在“Carbon”雜志上的主要作者、物理學(xué)家Shurik Yatom表示：“等離子體弧中的合成有20%是開，80%是關(guān)。”

在這些實驗中，Yatom使用了一種傳統(tǒng)的電弧合成技術(shù)，并在兩個電極中的一個陽極中填充了石墨粉和催化劑，發(fā)現(xiàn)合成過程是不穩(wěn)定的。實驗在主導(dǎo)合成模式和不常見的“合成-ON”模式之間切換。攝像頭拍攝到的快速圖像和發(fā)射光譜的電特性表明，電弧在“合成-ON”模式下直接參與陽極作用，但在“合成-OFF”模式下，空心陽極周圍發(fā)生振蕩，無法與石墨粉末和催化劑發(fā)生相互作用。

研究小組還制作了一個探測裝置，在這兩種模式之間選擇性地收集合成的產(chǎn)物。普林斯頓大學(xué)的Rachel Selinsky對合成的納米材料進(jìn)行了評估，他發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)納米管都是在“合成-ON”模式下收集的。

研究結(jié)果表明，需要穩(wěn)定電弧使其不斷地與石墨和催化劑接觸，以連續(xù)生產(chǎn)出單壁碳納米管。他的論文從使用更薄的壁到使用固體復(fù)合陽極，提出了幾種可行的途徑，來連續(xù)生產(chǎn)納米管同時減少不必要的副產(chǎn)品。

最后，了解產(chǎn)生這些雜質(zhì)的原因?qū)τ赑PPL和其他研究這個問題的團體都是至關(guān)重要的。隨著科學(xué)家們繼續(xù)改進(jìn)納米結(jié)構(gòu)的原位表征方法，他們也必須監(jiān)測電弧行為，明確區(qū)分“合成-ON”和“合成-OFF”模式所獲得的結(jié)果。