التجميعي في وقت واحد من أنابيب الكربون النانوية الجدران واحدة الجرافين في قوس البلازما مغناطيسيا محسنة

الهدف العام من التجربة التالية هو تخليق أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار والجرافين بواسطة القوس الكهربائي. ويتم تحقيق ذلك في آن واحد من خلال تحضير قطبي قوس كهربائي أولاً، هما المصعد والمهبط. حيث يتم تحضير المصعد وتصنيعه بنسبة محددة من الكربون والنيكل واليتريوم تبلغ 94.8 إلى 4.2 إلى 1، بينما يكون المهبط عبارة عن قضيب كربون نقي.

بعد ذلك، تُستخدم عمليات المحاكاة العددية التي تعرض توزيع المجال المغناطيسي وجسيمات الأنواع لتوفير معلومات مفصلة حول موقع التخليق. ثم يتم تركيب المغناطيس وصفيحة الموليبدينوم، التي تعمل كركيزة، وفقاً لنتائج المحاكاة، ويتم بدء التفريغ القوسي بين الأقطاب الكهربائية. يتشكل نفث بلازمي يقوم بترسيب أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار والجرافين على سطح صفيحة الموليبدينوم.

في النهاية، تُظهر هذه العملية نقاءً عاليًا لأنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار والجرافين استنادًا إلى المجهر الإلكتروني النافذ والمجهر الإلكتروني الماسح، وأنماط حيود الإلكترونات، وأطياف رامان. ويعد العرض المرئي لهذه العملية أمرًا بالغ الأهمية لأنها عملية معقدة للغاية وتتضمن خطوات متعددة، وبشكل خاص في الحالة التي يتم فيها استخدام مجال مغناطيسي غير منتظم. أما فيما يتعلق بعملية التخليق المعتمدة على البلازما، فهي تمتلك مزايا عديدة مقارنة بالعملية المعتمدة على المواد الكيميائية؛ فهي على وجه الخصوص لا تتطلب نظام عادم كيميائي، مما يجعلها صديقة للبيئة بطبيعتها، وبالإضافة إلى ذلك، فإنها تمتلك إمكانات هائلة للتطوير على نطاق واسع.

تتمثل الميزة الرئيسية لهذه التقنية، مقارنة بطرقنا الحالية مثل الترسيب الكيميائي للبخار، في إمكانية تخليق أنابيب نانوية مفردة وزعانف رقيقة مكونة من طبقات قليلة في خطوة واحدة بسيطة عبر تفريغ القوس الكهربائي. لذا، يوضح هذا الاختبار بشكل أساسي منهجية كيفية استخدام التحكم في تفريغ القوس الكهربائي باستخدام مجالات مغناطيسية خارجية من أجل تخليق أنواع مختلفة من البنى النانوية، مثل الأنابيب النانوية أو الجرافين. يعتمد تصميم هذه التقنية على القوة الكبيرة في أقواس التفريغ المعززة مغناطيسياً.

علاوة على ذلك، تعد المحاكاة العددية لتوزيع المجال المغناطيسي والأنواع ضرورية لفهم نمو الجسيمات النانوية. ولتحضير الأنودات، اخلط مسحوق النيكل ومسحوق الإيتريوم بنسبة مولية 4.2 إلى 1 كمسحوق محفز، ثم اخلط مسحوق المحفز جيداً مع مسحوق الجرافيت للحصول على نسبة 94.8 إلى 4.2 إلى 1 من الكربون إلى النيكل إلى الإيتريوم، وهي النسبة المثلى لتخليق أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار؛ ثم املأ المسحوق المخلوط بإحكام داخل قضيب جرافيت مجوف. قم بتركيب قضيب الكاثود وقضيب الأنود المحشو داخل الغرفة الأسطوانية.

اضبط مسافة الفجوة بين الكاثود والأنود لتكون حوالي ثلاثة مليمترات. ولتجهيز الركيزة، يرجى وضع مغناطيس دائم OID داخل الغرفة، على بُعد حوالي 25 مليمتر من المحور الموجود بين القطبين. وفي هذا التكوين، يتم ضبط الفجوة بين القطبين على مسافة تبلغ حوالي 75 مليمتر من الجزء السفلي للمغناطيس الدائم.

قُم بقص ورقة وسط بسُمك 0.3 millimeter إلى مستطيل بأبعاد 25 millimeter في 100 millimeter باستخدام جهاز تفكيك بالموجات فوق الصوتية مع الأسيتون والإيثانول. أزِل التلوث السطحي لمدة 30 دقيقة بسعة صوتية 50%، وقدرة خرج 150 watt، وتردد 40 kilohertz. ثبِّت ورقة MA liptum على أحد جانبي المغناطيس الدائم، ثم وجِّه هذا الجانب نحو الأقطاب الكهربائية.

باستخدام مقياس غاوس، قم بقياس المجال المغناطيسي في الفجوة الموجودة بين القطبين. حافظ على متوسط المجال المغناطيسي بين القطبين عند حوالي 0.06 Tesla، وذلك لإشعال بلازما القوس.

قم بتفريغ الغرفة الأسطوانية حتى يصل الضغط إلى أقل من 0.1 tour من الفراغ، ثم املأها بغاز الهيليوم حتى 500.Tour. قم بتوصيل أقطاب القوس بمصدر طاقة لحام يعمل بالتيار المستمر (DC)، واضبط مصدر الطاقة على تيار قوس يبلغ حوالي 75 amps. سجل القيم الآنية لتيار القوس وجبده وضغط الغرفة لإجراء التحليلات ما بعد التجربة.

ابدأ تصوير فيديو القوس الكهربائي من نافذة العرض اليمنى والأمامية في آن واحد باستخدام كاميرتين رقميتين. قم بتشغيل القوس لمدة 15 seconds. برد الغرفة عن طريق الحمل الحراري الطبيعي لمدة 20 minutes على الأقل.

عند اكتمال عملية التخليق، استخدم ملقطاً لنزع رقاقة الترسيب من سطح ورقة Meum في المنطقة التي وُجِّه إليها نفاث بلازما القوس. اجمع عينة أخرى من الطوق الأسود للمهبط. افحص مورفولوجيا كلا جانبي رقاقة الترسيب تحت مجهر إلكتروني ماسح باستخدام جهد تسريع قدره 30 kilovolts.

لتحضير العينات المخصصة للمجهر الإلكتروني النافذ، قم بمعالجة محلول أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار والمشتتة في الميثانول باستخدام الموجات فوق الصوتية لمدة 60 دقيقة. استخدم جهاز التنظيف بالموجات فوق الصوتية بسعة ضربات سونيكية تبلغ 50%، ثم قم بصب المعلق بالتنقيط. وبعد تطاير محلول الميثانول، افحص مورفولوجيا الغشاء باستخدام مجهر إلكتروني نافذ بجهد 100 kilovolts في الموضع المطلوب من العينة؛ حيث يمكن الحصول على نمط حيود الإلكترونات باستخدام كاميرا CCD بطول 50 centimeters. قم بفحص صور TEM للهياكل المُصنّعة.

لاحظ نمط حيود الإلكترونات للعينة الموضحة. فيما يلي لقطات فيديو تم الحصول عليها في آن واحد من منافذ العرض اليمنى والأمامية للغرفة عند ارتفاع فجوة قطب كهربائي يبلغ 75 millimeters. توضح هذه الصور اضطراباً كبيراً في عمود بلازما القوس في وجود مجال مغناطيسي خارجي.

تعرض هذه الصور المورفولوجيا النموذجية لأنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار وجسيمات المحفز التي تم تجميعها على الكاثود بدون مجال مغناطيسي، ومع مجال مغناطيسي B equals 0.06 Tesla تحت مجهر TEM على التوالي. تشكل الأنابيب النانوية التي تم تجميعها بدون مجال مغناطيسي حزماً ذات أقطار أكبر وأقطار فردية أكبر، وهو ما يتفق مع تحليل طيف رامان.

كما أدى المجال المغناطيسي إلى جمع أنابيب نانوية أكثر نقاءً مقارنة بما هو عليه الحال بدون المجال المغناطيسي. يوضح الشكل التالي طيف رامان لعينات في نطاق من 100 إلى 3,100 cm⁻¹ تم الحصول عليه باستخدام مجال مغناطيسي. ويمثل الشكل المدرج عينات بدون مجال مغناطيسي حول ترددات وضع التنفس الشعاعي.

تُستخدم نسبة شدة قمة 2D إلى شدة قمة G لتقدير سمك طبقات الجرافين. ويُعطي هذا الطيف قيمة شدة تقارب الواحد، مما يشير إلى أن عدد طبقات الجرافين يبلغ حوالي اثنتين. يوضح هذا الرسوم المتحركة منطقة نمو البنية النانوية والكثافة العددية للكربون والنيكل والأرجون عند تيار قوس كهربائي قدره 60 amps.

لاحظ أن كثافات الكربون والنيكل والبلاتين الموضحة في المستويات اليمنى واليسرى والرأسية تتعايش في المنطقة نفسها بعد عملية التحميض. سيمهد هذا الأسلوب الطريق للباحثين للعمل على التصنيع الموجه مغناطيسياً لكل من الأنابيب النانوية أحادية الجدار والغرافين، حيث يمكن التحكم في خصائص الأنابيب النانوية أحادية الجدار مثل الأطوال والأقطار. أما فيما يتعلق بالغرافين، فيمكن التحكم في عدد الطبقات.

تتمثل الميزة الرئيسية لهذه التقنية مقارنةً بالتخليق القائم على المواد الكيميائية في أنها لا تتطلب نظام عادم كيميائي، وبالتالي فهي صديقة للبيئة بطبيعتها. وبمجرد إتقانها، يمكن إنجاز هذه العملية في غضون 30 دقيقة إذا نُفذت بشكل صحيح. ومن المهم ملاحظة أن توجيه نفاثة البلازما نحو الركيزة أمر بالغ الأهمية لعملية التخليق بأكملها.

يقوم نفاث البلازما الأول بتوصيل أنواع كربونية إلى الركيزة، وهي ضرورية لتخليق المنتج، بينما يقوم نفاث البلازما الثاني بتوصيل تدفق حراري إلى الركيزة، مما يخلق ظروف درجة حرارة مواتية لتخليق الغرافين. وبعد هذا الإجراء، يمكن تنفيذ طرق أخرى مثل تحريك الركيزة للإجابة على أسئلة إضافية مثل إمكانية التحكم في سمك طبقة الغرافين.