Un equipo de investigación de la Universidad de Purdue ha desarrollado una técnica de simulación como parte de un proyecto para ayudar a reducir el costo de las nanoestructuras de carbono para la investigación y las posibles tecnologías comerciales, incluidos sensores y baterías avanzados.
Las nanoestructuras de carbono como los nanotubos, los "nanopetales" y las láminas ultrafinas de grafito llamadas grafeno pueden encontrar una amplia variedad de aplicaciones en ingeniería y biociencias. Debido al rápido aumento en su uso durante la última década, los investigadores están trabajando para desarrollar una masade producción para reducir su costo. Las nanoestructuras se fabrican con un método llamado deposición de vapor químico potenciado por plasma CVD.
En nuevos hallazgos, los investigadores han desarrollado un modelo para simular lo que sucede dentro de la cámara del reactor CVD para optimizar las condiciones para la conversión rápida y ecológica de materias primas, como metano e hidrógeno, en nanopetales de carbono y otras estructuras.
"Hay una mezcla muy compleja de fenómenos, absorción de plasma de la potencia de microondas, transferencia de calor entre plasma y gas y, en última instancia, la química de la mezcla de gases que reacciona que crea las nanoestructuras", dijo Alina Alexeenko, profesora asociada en elEscuela de Aeronáutica y Astronáutica que lidera el trabajo de modelado: "El modelado podría permitirnos realizar menos pruebas y errores en la búsqueda de las condiciones adecuadas para crear nanoestructuras".
Los resultados se detallan en un artículo publicado en línea en el Revista de Física Aplicada . Fue el artículo destacado de la edición impresa del 21 de marzo de la revista.
Los nanopetales son prometedores como un sensor para detectar glucosa en la saliva o las lágrimas y para "supercondensadores" que podrían hacer posibles baterías de alto rendimiento y carga rápida. Sin embargo, para que el material sea comercializado, los investigadores deben encontrar una forma de masa-producirlo a bajo costo.
Los investigadores utilizaron una técnica llamada espectroscopía de emisión óptica para medir la temperatura del hidrógeno en el plasma y compararlo con el resultado del modelado. Los resultados mostraron que el modelo coincide con los datos experimentales.
"La Dra. Alexeenko y sus estudiantes pudieron capturar la esencia de los procesos físicos que nosotros, como experimentadores, inicialmente creíamos que sería demasiado difícil de modelar", dijo Timothy Fisher, profesor de Ingeniería Mecánica James G. Dwyer ". Peroahora que podemos simular el proceso, podremos buscar primero en la computadora el conjunto de condiciones que mejoran el proceso para guiar los próximos experimentos en el laboratorio ".
La investigación es parte de un proyecto Purdue financiado por la National Science Foundation. Se enfoca en crear un método de nanofabricación que sea capaz de producir en masa a bajo costo. La tecnología subyacente fue desarrollada por un grupo de investigación dirigido por Fisher. Consiste ennanoestructuras verticales que se asemejan a pequeños pétalos de rosa hechos de grafeno que podrían ser producidos en masa utilizando la fabricación de rollo a rollo, un pilar de muchas operaciones industriales, incluida la producción de papel y chapa.
Los nuevos hallazgos mostraron que la producción de las nanoestructuras se mejora y acelera a través de la formación de "pilares dieléctricos verticales" en el reactor CVD.
"La implicación es que entendemos mejor cuál es el efecto de estos pilares y reproduciremos este efecto por otros medios en el sistema de rollo a rollo a gran escala que el Dr. Fisher ya ha construido", dijo Alexeenko.las simulaciones cuantifican el efecto del pilar y otros parámetros, como la potencia y la presión, en la mejora del plasma ".
El Revista de Física Aplicada el documento fue escrito por los estudiantes de posgrado Gayathri Shivkumar, Siva Sashank Tholeti y Majed Alrefae; Fisher; y Alexeenko.
Gran parte de la investigación se basa en el Centro de Nanotecnología Birck en el Discovery Park de Purdue y es parte de un equipo de plasma frío bajo la iniciativa del equipo preeminente de la Facultad de Ingeniería de Purdue.
"El siguiente y continuo paso en esta investigación es aplicar el modelado de rollo a rollo para la fabricación a gran escala de nanopetales", dijo Alexeenko. "Además, optimizar las condiciones del reactor para la eficiencia energética y los efectos ambientales para minimizar la producción dequímicos tóxicos."
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Purdue . Original escrito por Emil Venere. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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