Waarom we geen hete lucht meer gebruiken, maar infraroodstraling bij de productie van koolstofnanobuizen
Als je ooit tijd hebt besteed aan het maken van koolstofnanobuizen, weet je vast hoe het gaat. Je moet de temperatuur precies onder controle houden zodat de katalysator goed kan werken en het koolstof op de juiste manier kan worden afgezet.
De meeste ouderwetse methoden maken gebruik van hete lucht. Dit is een traag proces: je verwarmt eerst de lucht, die vervolgens de wanden van het materiaal verwarmt. Pas na lang wachten wordt het materiaal uiteindelijk warm genoeg. Het is een indirect en tijdrovend proces.
Het wachten is vreselijk.
Lucht is slecht in het overdragen van warmte. Je moet urenlang wachten tot alles stabiel is. In het laboratorium noemen we dit ‘tijdverlies’. Het is gewoon verspilde energie en een obstakel voor de productie.
Infraroodverwarming verandert dit situatie. In plaats van te rekenen op lucht, gebruikt infraroodstraling elektromagnetische golven om energie rechtstreeks in het materiaal te injecteren. Hierdoor hoef je geen tussenpersoon te gebruiken. Je kunt de gewenste temperatuur in seconden bereiken. Voor iedereen die met halfgeleiders werkt, is dit enorm belangrijk. De tijd die nodig is om de temperatuur te verhogen of te verlagen, wordt kleiner. Hierdoor kun je meer batches per shift produceren.
Maar je kunt niet zomaar een lamp vervangen en klaar zijn. Je moet goed nadenken over de emissiebronnen. Het hangt allemaal af van wat het materiaal precies absorbeert. Kortegolf-infrarood dringt diep in het materiaal door, terwijl middengolf-infrarood beter is als je alleen de oppervlakte wilt activeren.
We kiezen meestal voor hoge dichtheden van emissiebronnen. Waarom? Omdat als de warmte niet gelijkmatig wordt verdeeld, de groei van de koolstofnanobuizen niet goed zal verlopen. Je moet de juiste balans vinden tussen de positie van de emissiebronnen en de feedback die de sensoren aan het systeem geven. Anders ontstaan er ‘hotspots’.
Er is echter wel een nadeel.
Infraroodverwarming is snel, maar ook agressief. Omdat de warmte zo intens en snel wordt overgedragen, bestaat het risico op thermische schokken. Je hebt dus een houder nodig die het materiaal kan ondersteunen wanneer het heet wordt.
En nog een waarschuwing: let goed op je behuizing. Als je koelsysteem niet goed werkt, kan de stralende warmte je elektronica beschadigen.
Je geeft dus de trage, ‘comfortabele’ methode van hete lucht op in ruil voor snelheid. Het is wat onvoorspelbaarder, maar de voordelen in productiecapaciteit zijn meestal de moeite waard.