Sintesi simultanea di nanotubi a parete singola carbonio e del grafene in un Plasma Arc magneticamente avanzata

L'obiettivo generale del seguente esperimento è sintetizzare nanotubi di carbonio a parete singola e grafene mediante arco elettrico. Questo risultato viene ottenuto simultaneamente preparando innanzitutto due elettrodi per l'arco, un anodo e un catodo. L'anodo viene preparato e realizzato con un rapporto specifico di carbonio, nichel e ittrio di 94,8 a 4,2 a 1, mentre il catodo è una barretta di carbonio pura.

Successivamente, simulazioni numeriche che mostrano la distribuzione del campo magnetico e delle particelle delle specie vengono utilizzate per fornire informazioni dettagliate sulla posizione della sintesi. Quindi, il magnete e il foglio di molibdeno, che funge da substrato, vengono installati in base ai risultati della simulazione e viene avviata la scarica ad arco tra gli elettrodi. Si forma un getto di plasma che deposita nanotubi di carbonio a parete singola e grafene sulla superficie del foglio di molibdeno.

Alla fine, questa procedura mostra nanotubi di carbonio a parete singola e grafene ad alta purezza, sulla base della microscopia elettronica a trasmissione e della microscopia elettronica a scansione, dei modelli di diffrazione elettronica e degli spettri Raman. La dimostrazione visiva di questo processo è fondamentale perché si tratta, come sapete, di un processo estremamente complesso, che presenta, come sapete, molte fasi e, in particolare nel caso in cui venga utilizzato un campo magnetico non uniforme per quanto riguarda un processo di sintesi basato sul plasma, offre numerosi vantaggi rispetto al processo di sintesi di tipo chimico. In particolare, non richiede smaltimento di sostanze chimiche, quindi è ecologico per natura; inoltre, presenta un potenziale notevole per lo sviluppo su larga scala.

Il principale vantaggio di questa tecnica, rispetto ai nostri metodi esistenti come la deposizione chimica da vapore, è che può produrre un singolo nanotubo o un film sottile costituito da pochi strati in un'unica semplice operazione mediante scarica a arco. Questo esperimento dimostra fondamentalmente la metodologia con cui il controllo della scarica a arco mediante campi magnetici esterni può essere utilizzato per sintetizzare diversi tipi di nanostrutture, come nanotubi o grafene. La progettazione di questa tecnica si basa sulle forze elevate presenti negli archi potenziati magneticamente.

Inoltre, la simulazione numerica della distribuzione del campo magnetico e delle specie è fondamentale per comprendere la crescita delle nanoparticelle. Per preparare gli anodi, combinare polvere di nichel e polvere di atrio in un rapporto molare di 4,2 a uno come polvere catalitica; mescolare accuratamente la polvere catalitica con polvere di grafite per ottenere un rapporto di 94,8 a 4,2 a uno di carbonio rispetto a nichel rispetto ad atrio, che è il rapporto ottimale per sintetizzare nanotubi di carbonio a parete singola; riempire saldamente la polvere miscelata in una barretta di grafite cava. Installare una barretta catodica e la barretta anodica riempita all'interno della camera cilindrica.

Regolare la distanza tra catodo e anodo a circa tre millimetri. Per preparare il substrato, posizionare un magnete permanente OID all'interno della camera, a circa 25 millimetri dall'asse interelettrodico. In questa configurazione, il gap interelettrodico è impostato a una distanza di circa 75 millimetri dal fondo del magnete permanente.

Tagliare una lamina di spessore di 0,3 millimetri in un rettangolo di 25 millimetri per 100 millimetri utilizzando un dismembratore ad ultrasuoni con acetone ed etanolo. Rimuovere la contaminazione superficiale per 30 minuti con un'ampiezza sonica del 50%, una potenza in uscita di 150 watt e una frequenza di 40 kilohertz. Applicare il foglio di MA liptum su un lato del magnete permanente e orientare questo lato verso gli elettrodi.

Utilizzando un gaussimetro, misurare il campo magnetico nel gap tra gli elettrodi. Mantenere il campo magnetico medio tra gli elettrodi a circa 0,06 Tesla per accendere il plasma ad arco.

Pompare il cilindro fino a raggiungere una pressione inferiore a 0,1 torr di vuoto, quindi riempirlo con elio fino a 500 torr. Collegare gli elettrodi dell'arco a un'alimentatore di saldatura in corrente continua e impostare l'alimentatore su una corrente d'arco di circa 75 ampere. Registrare i valori in tempo reale della corrente d'arco, della tensione d'arco e della pressione nella camera per l'analisi successiva all'esperimento.

Avviare la registrazione del video dell'arco dal lato destro e dal viewport frontale contemporaneamente con due telecamere digitali. Far funzionare l'arco per 15 secondi. Raffreddare la camera mediante convezione naturale per almeno 20 minuti.

Al termine della sintesi, utilizzare delle pinzette per staccare il frammento di deposizione dalla superficie del foglio di Meum in corrispondenza della zona in cui è stato diretto il getto di plasma ad arco. Raccogliere un altro campione dal collare nero del catodo. Osservare la morfologia di entrambi i lati del frammento di deposizione al microscopio elettronico a scansione, utilizzando una tensione di accelerazione di 30 kilovolt.

Per preparare i campioni per la microscopia elettronica a trasmissione, sottoporre a sonificazione una soluzione di nanotubi di carbonio a parete singola dispersi in metanolo per 60 minuti. Utilizzare un disintegratore ultrasonico con un'ampiezza di sonificazione al 50%, quindi versare per goccia e colare la sospensione. Osservare la morfologia del film mediante un microscopio elettronico a trasmissione con una tensione di 100 chilovolt, dopo la volatilizzazione della soluzione di metanolo. Per la posizione di interesse nel campione, il pattern di diffrazione elettronica può essere ottenuto con una camera CCD di lunghezza pari a 50 centimetri. Osservare le immagini TEM delle strutture sintetizzate.

Osservare il pattern di diffrazione elettronica del campione mostrato. Qui di seguito sono riportati degli istantanei video ottenuti simultaneamente dalle prese di osservazione laterale destra e frontale della camera, per un’altezza del traferro dell’elettrodo di 75 millimetri. Queste immagini illustrano una significativa perturbazione della colonna di plasma dell’arco in presenza di un campo magnetico esterno.

Queste immagini mostrano la tipica morfologia di nanotubi di carbonio a parete singola e particelle di catalizzatore raccolte sul catodo rispettivamente senza campo magnetico e con un campo magnetico di B uguale a 0,06 Tesla, osservate al microscopio elettronico a trasmissione (TEM). I nanotubi raccolti senza campo magnetico formano fasci di diametro maggiore e diametri individuali più ampi, il che è coerente con l'analisi spettrale Raman.

Il campo magnetico ha inoltre permesso una raccolta di nanotubi più pura rispetto all'assenza di campo magnetico. Qui è mostrato uno spettro Raman di campioni nell'intervallo da 100 a 3.100 cm⁻¹ ottenuto in presenza di un campo magnetico. L'inserto riguarda i campioni senza campo magnetico nelle frequenze del modo radiale di respirazione.

Il rapporto tra l'intensità del picco 2D e l'intensità del picco G viene utilizzato per stimare lo spessore degli strati di grafene. Questo spettro produce un valore di intensità di circa uno, il che indica che il numero di strati di grafene è di circa due. Questa animazione mostra la regione di crescita della nanostruttura e la densità numerica di carbonio, nichel e atrio per una corrente d'arco di 60 ampere.

Si noti che le densità di carbonio, nichel e atrio mostrate sui piani destro, sinistro e verticale coesistono nella stessa regione dopo lo sviluppo. Questa tecnica aprirà la strada ai ricercatori per lavorare sulla sintesi controllata magneticamente sia di nanotubi a parete singola sia di grafite per combustibili, in cui sia le proprietà dei singoli nanotubi, come lunghezze e diametro, possono essere controllate. Per quanto riguarda il grafene, invece, il numero di strati può essere controllato.

Il vantaggio principale di questa tecnica rispetto alla sintesi chimica è che non richiede smaltimento di sostanze chimiche e quindi è ecologica per natura. Una volta padroneggiata, questa procedura può essere completata in 30 minuti se eseguita correttamente. È importante notare che la direzione del getto di plasma verso il substrato è fondamentale per l'intero processo di sintesi.

Il primo getto di plasma fornisce al substrato una specie di carbonio necessaria per sintetizzare un prodotto, mentre il secondo getto plasma fornisce un flusso termico al substrato, creando condizioni di temperatura favorevoli per la sintesi del grafene. Seguendo questa procedura, possono essere eseguiti altri metodi, come lo spostamento del substrato, per rispondere ad ulteriori domande, ad esempio sul controllo dello spessore del film.