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 纳米粒子具有超强韧性结构的碳纳米管，其直径以十亿分之一米为单位，仅是人类头发直径的数千分之一，其广泛用于微型芯片、运动用品、药品等领域。但是，大规模生产高质量的纳米粒子面临着提高合成选择性、提高合成材料质量、开发经济可靠的合成工艺等一系列挑战。

然而，美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的研究可能改变这种情况。PPPL的科学家们已经开发出用来帮助理解并促进改进等离子体基合成工艺的诊断工具。这是一种广泛使用纳米粒子，但对纳米粒子的结构理解不足的工具。PPPL的科学家和合作者在几篇已发表的论文中概述了最近的研究，这些研究有助于开发可控制、可选择性制备的具有规定结构的纳米材料。这种基础研究可以为制造业在各种领域的发展铺平道路。

独特的评论

本文报道了他们对碳等离子体在原位电弧或电弧展开时的产生过程的独特观察。研究人员在两个碳电极之间制造等离子弧，产生一个由原子核和分子组成的热碳蒸气，这些蒸气冷却并合成（浓缩）形成粒子，然后聚集在一起生长成纳米结构。

直接观察的结果导致“了解碳纳米颗粒在电弧等离子体中生长的重要一步。” PPPL等离子体纳米合成实验室的物理学家Yevgeny Raitses这样表示：“现在的想法是将实验结果与计算机建模结合起来，以改进对过程的控制，同时将我们所学的知识应用于其他类型的纳米材料以及纳米材料的合成。”

下面的三篇论文对于解开目前不太了解的电弧合成过程方面有独特的见解。能源部科学办公室支持了这项工作。

观察预测了纳米管的前体

今天所缺少的是对合成过程中由蒸气形成的纳米管前驱体的详细了解。这对预测碳等离子体弧纳米合成机理提出了重要挑战。

PPPL的新发现预示了这一过程的发展前景。由物理学家Vladislav Vekselman领导并发表在“Plasma Sources Science and Technology”杂志上的研究表明，控制纯碳电弧中碳纳米管合成的是分子前体。其中包括了由两个碳原子形成的“二聚体”。

这一发现为改进碳弧纳米合成的预测模型打开了新大门。Vekselman表示：“这是激光诱导诊断技术首次应用于这类合成中，我们现在知道在碳弧材料中形成的前驱体的位置和数量。”

PPPL的物理学家Alexander Khrabry进行的仿真结果支持了这些碳弧合成的结论。PPPL理论部副主任、物理学家Igor Kaganovich表示：“我们的模型以蒸发、冷凝和纳米结构形成为物理基础。我们将此模型应用于现场实验，以发展可以预测的、通过进一步实验来验证的实验结果。”

这种预测模型已经开始取得进展。PPPL诊断学司司长，等离子体科学与技术部（该实验室是奈米合成实验室的所在地）副主任Brent Stratton表示：“在合成过程中进行原位测量对理解合成过程和建模具有非常大的帮助。本课题所展示的是实验和建模相结合的成果，可以加深对等离子弧合成的理解”。

检测纳米粒子生长

为了加深这种理解，研究人员必须监测粒子从纳米到原子尺度的产生过程。PPPL的研究已经建立并展示了一种独特的用于原位检测纳米粒子生长的台面激光技术。“这个定制的诊断技术有助于解读等离子弧产生纳米粒子的过程。以前没有任何好的方法来监控这个过程。” PPPL的物理学家AlexandrosGerakis设计了这项技术，并在“物理评论应用”杂志上发表了该技术。

这种新方法是根据普林斯顿大学的MikhailShneider的预测提出的，它可以检测出电弧内部和在电弧中流动的粒子。这项技术可以观察到大约5纳米大小的粒子，并可用于测量其他纳米合成方法所产生的材料。在大体积合成过程中对纳米粒子进行原位测量，可以提高人们对纳米粒子生长机制的认识。

为什么合成会出错

最有前途的纳米材料是可以在工业规模上产生的碳电弧放电单壁碳纳米管。但是这种方法的一个主要缺点是所合成的纳米材料含有许多杂质，其中包括纳米管、碳烟和随机碳粒子的混合物。

PPPL发现，碳弧的不稳定性是这些缺点的主要根源。这种行为导致了两种生产模式，实验室称之为“合成-ON”，用于纯纳米管的制造；“合成-OFF”，产生不纯的结果。将研究结果发表在“Carbon”杂志上的主要作者、物理学家Shurik Yatom表示：“等离子体弧中的合成有20%是开，80%是关。”

在这些实验中，Yatom使用了一种传统的电弧合成技术，并在两个电极中的一个阳极中填充了石墨粉和催化剂，发现合成过程是不稳定的。实验在主导合成模式和不常见的“合成-ON”模式之间切换。摄像头拍摄到的快速图像和发射光谱的电特性表明，电弧在“合成-ON”模式下直接参与阳极作用，但在“合成-OFF”模式下，空心阳极周围发生振荡，无法与石墨粉末和催化剂发生相互作用。

研究小组还制作了一个探测装置，在这两种模式之间选择性地收集合成的产物。普林斯顿大学的Rachel Selinsky对合成的纳米材料进行了评估，他发现绝大多数纳米管都是在“合成-ON”模式下收集的。

研究结果表明，需要稳定电弧使其不断地与石墨和催化剂接触，以连续生产出单壁碳纳米管。他的论文从使用更薄的壁到使用固体复合阳极，提出了几种可行的途径，来连续生产纳米管同时减少不必要的副产品。

最后，了解产生这些杂质的原因对于PPPL和其他研究这个问题的团体都是至关重要的。随着科学家们继续改进纳米结构的原位表征方法，他们也必须监测电弧行为，明确区分“合成-ON”和“合成-OFF”模式所获得的结果。