Koolstof nanostructuren groeien onder extreem deeltjesbombardement

Differ’s opstelling Pilot-PSI is gebouwd om wandmaterialen bloot te stellen aan plasma’s die in toekomstige fusiereactoren zullen woeden. Dit soort plasma’s zijn tienduizend maal intenser dan de plasma’s die normaliter worden gebruikt voor de constructie van nanomaterialen. Met Pilot-PSI bewees Bystrovs internationale team dat deze extreme omgeving onverwachte mogelijkheden biedt om nanostructuren te maken.

Buiten evenwicht

Plasma’s bieden grote voordelen voor gecontroleerde productie van geavanceerde materialen. In een plasma zijn ionen en elektronen ver buiten thermisch evenwicht te brengen. Depositieprocessen kunnen onder die omstandigheden geheel anders verlopen dan wanneer er wel sprake is van een thermisch evenwicht. Bij de veelgebruikte techniek van plasma geassisteerde chemische damp depositie (PECVD) bepalen de plasmadichtheid en de hoeveelheid aangevoerd materiaal (koolstof) welke nanostructuren er ontstaan. Hoe verder een plasma van thermisch evenwicht afwijkt, hoe exotischer de structuren die ontstaan.

Variatie

Nadat ze diverse materialen zoals wolfraam, molybdeen en grafiet blootstelden aan een plasma met koolstoftoevoer, ontdekte het team van Bystrov een laag vol uitheemse koolstof nanostructuren: meerwandige of extra lange nanobuizen, bloemkoolachtige structuren en lagen grafeen. Variëren met parameters als de plasmadichtheid, temperatuur en samenstelling leverde steeds andere structuren. Bystrov: "Het was erg verrassend dat een enorm deeltjesbombardement zoals aan de rand van een fusiereactor zulke tere structuren oplevert." De invloed van het materiaal waarop de gevormde structuren aangroeien, blijkt onverwacht klein: bij alle drie de geteste oppervlakken verschijnen dezelfde soorten structuren.

Veelzijdige machines

Met het onderzoek hebben Bystrov en zijn collega’s nog geen concurrent voor de PECVD-techniek in handen. "Het gaat ons erom te laten zien dat je bij interessante processen kunt laten verlopen in tot tienduizend maal intensere omgevingen dan je zou verwachten", schetst Bystrov in zijn publicatie.

Onderzoeksleider dr. Greg De Temmerman van het Plasma Surface Interactions-team bij Differ: "We hebben deze experimenten opgebouwd om te onderzoeken wat er gebeurt met de wandmaterialen in toekomstige fusiereactoren. Dit onderzoek bewijst dat de omstandigheden in Pilot-PSI en zijn grote broer Magnum-PSI ook interessant zijn tot ver buiten de fusiegemeenschap. Het zijn enorm veelzijdige machines."

Spontaneous synthesis of carbon nanowalls, nanotubes and nanotips using high flux density plasmas, Carbon, 28 november 2013. DOI: 10.1016/j.carbon.2013.11.051