Élucider et comprendre la synthèse de nanoparticules par des décharges nanosecondes répétitives pulsées – NanoByNano

La synthèse portable, à la demande et au point d'utilisation des nanoparticules (NP) peut améliorer la faisabilité des applications portables nécessitant de tels matériaux. Actuellement, de nombreuses techniques de synthèse nécessitent des installations fixes et complexes. Par conséquent, les appareils mobiles doivent stocker et livrer des NP préfabriquées, ce qui augmente les coûts et la complexité. La livraison au point d'utilisation peut être coûteux en énergie et ralentir la réactivité de l'appareil. En outre, certaines applications peuvent nécessiter une variété de propriétés des NP, ce qui complexifierait les systèmes de stockage/livraison embarqués. Il existe donc un besoin de développer une technologie qui permettrait une synthèse rapide et efficace à l'aide d'une plateforme simple et compacte capable d'exercer un contrôle précis sur les propriétés des NP.

Les plasmas peuvent relever ces défis en produisant des conditions physico-chimiques difficiles à atteindre autrement. Cependant, les techniques de synthèse de NP existantes à faible densité d'énergie fonctionnant loin de l'équilibre thermodynamique local (ETL) ont des difficultés à décomposer les précurseurs solides, qui sont idéaux pour les applications mobiles en termes de facilité de stockage. Les techniques à haute densité d'énergie telles que l'ablation par étincelle à l'ETL reposent sur une température très élevée (ex. 10000 K), qui peut avoir un impact négatif sur le rendement du produit et l'ingénierie thermique du réacteur.

Nous visons à réaliser la synthèse en phase gazeuse des NP en utilisant des décharges nanosecondes répétitives pulsées (NRP), qui permettent d'atteindre des conditions fortement non ETL qui dirigent l'énergie vers l'ionisation et la dissociation plutôt que vers le chauffage, ce qui peut conduire à une efficacité énergétique élevée. Le raccourcissement de la durée de l'impulsion à 10 ns peut résoudre plusieurs des problèmes auxquels est confrontée l'ablation par étincelle en limitant fortement l'état thermique du plasma. L'utilisation d'une fréquence de répétition des impulsions élevée, supérieure à 10 kHz, réduit le coût énergétique de l'ionisation. Les décharges NRP créent également des conditions thermiques uniques pour la nucléation et la croissance des NP, y compris des taux de chauffage et de refroidissement très rapides.

Bien que les techniques plasma se soient avérées très efficaces, la compréhension des mécanismes de synthèse s'est largement appuyée sur la caractérisation ex situ des matériaux des NP produites. Cependant, sans observation directe de la nucléation et de la croissance à l'intérieur du réacteur, la compréhension manque de détails. La validation de modèles quantitatifs détaillés nécessiterait des mesures in situ des NP, des espèces chimiques et des environnements réactionnels.

NANObyNANO vise à développer une compréhension fondamentale et détaillée de la synthèse des NP par plasma. Notre approche expérimentale comprendra des diagnostics laser in situ de pointe de la croissance spatio-temporelle des NP, à l'aide de la spectroscopie Raman anti-Stokes cohérente et de la diffusion Rayleigh-Brillouin cohérente, ainsi que des diagnostics optiques des propriétés du plasma. Grâce aux données détaillées de ces diagnostics, nous développerons un modèle théorique de la formation de NP dans les décharges NRP. La connaissance fondamentale développée par NANObyNANO permettra d'utiliser les décharges NRP pour la production de NP avec des propriétés bien définies d'une manière simple et très efficace.

Les résultats de NANObyNANO peuvent éventuellement conduire à une future plateforme mobile pour la synthèse de NP à la demande, directement sur le lieu d'utilisation, éliminant ainsi le besoin de systèmes de stockage/livraison embarqués. Le processus peut se dérouler en une seule étape, être très efficace dans l'utilisation de l'énergie et des matériaux précurseurs, et permettre l'ajustement des propriétés des NP.