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 納米粒子具有超強韌性結構的碳納米管，其直徑以十億分之一米為單位，僅是人類頭發直徑的數千分之一，其廣泛用于微型芯片、運動用品、藥品等領域。但是，大規模生產高質量的納米粒子面臨著提高合成選擇性、提高合成材料質量、開發經濟可靠的合成工藝等一系列挑戰。

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的科學家們已經開發出用來幫助理解并促進改進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，但對納米粒子的結構理解不足的工具。PPPL的科學家和合作者在幾篇已發表的論文中概述了最近的研究，這些研究有助于開發可控制、可選擇性制備的具有規定結構的納米材料。這種基礎研究可以為制造業在各種領域的發展鋪平道路。

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構。

直接觀察的結果導致“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家Yevgeny Raitses這樣表示：“現在的想法是將實驗結果與計算機建模結合起來，以改進對過程的控制，同時將我們所學的知識應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。能源部科學辦公室支持了這項工作。

觀察預測了納米管的前體

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

PPPL的新發現預示了這一過程的發展前景。由物理學家Vladislav Vekselman領導并發表在“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”。

這一發現為改進碳弧納米合成的預測模型打開了新大門。Vekselman表示：“這是激光誘導診斷技術首次應用于這類合成中，我們現在知道在碳弧材料中形成的前驅體的位置和數量。”

PPPL的物理學家Alexander Khrabry進行的仿真結果支持了這些碳弧合成的結論。PPPL理論部副主任、物理學家Igor Kaganovich表示：“我們的模型以蒸發、冷凝和納米結構形成為物理基礎。我們將此模型應用于現場實驗，以發展可以預測的、通過進一步實驗來驗證的實驗結果。”

這種預測模型已經開始取得進展。PPPL診斷學司司長，等離子體科學與技術部（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，研究人員必須監測粒子從納米到原子尺度的產生過程。PPPL的研究已經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。“這個定制的診斷技術有助于解讀等離子弧產生納米粒子的過程。以前沒有任何好的方法來監控這個過程。” PPPL的物理學家AlexandrosGerakis設計了這項技術，并在“物理評論應用”雜志上發表了該技術。

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

為什么合成會出錯

最有前途的納米材料是可以在工業規模上產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，其中包括納米管、碳煙和隨機碳粒子的混合物。

PPPL發現，碳弧的不穩定性是這些缺點的主要根源。這種行為導致了兩種生產模式，實驗室稱之為“合成-ON”，用于純納米管的制造；“合成-OFF”，產生不純的結果。將研究結果發表在“Carbon”雜志上的主要作者、物理學家Shurik Yatom表示：“等離子體弧中的合成有20%是開，80%是關。”

在這些實驗中，Yatom使用了一種傳統的電弧合成技術，并在兩個電極中的一個陽極中填充了石墨粉和催化劑，發現合成過程是不穩定的。實驗在主導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，空心陽極周圍發生振蕩，無法與石墨粉末和催化劑發生相互作用。

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物。普林斯頓大學的Rachel Selinsky對合成的納米材料進行了評估，他發現絕大多數納米管都是在“合成-ON”模式下收集的。

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

最后，了解產生這些雜質的原因對于PPPL和其他研究這個問題的團體都是至關重要的。隨著科學家們繼續改進納米結構的原位表征方法，他們也必須監測電弧行為，明確區分“合成-ON”和“合成-OFF”模式所獲得的結果。