Polyynes production by pulsed laser ablation in liquid: recirculation design for upscaling strategies

Carbon atomic wires (CAWs) are sp-hybridized carbon structures, which exhibit unique electronic, optical, and mechanical properties. CAWs synthesis by physical methods is challenging due to their instability and reactivity, necessitating innovative methods for stable production. Pulsed Laser Ablation in Liquid (PLAL) offers a promising, eco-friendly, and scalable approach, leveraging high-intensity pulsed lasers in liquid media to produce the nanostructures. This study investigates the synthesis of CAWs, specifically polyynes, through PLAL, focusing on optimizing flow-through cell recirculation systems to enhance production scalability. Ablations were performed using an Nd:YAG ns-pulsed laser at the fundamental wavelength of 1064nm, using a specifically customized flow-through cell system, powered by a peristaltic membrane pump, designed appositely for the experiments, and static configurations (used for comparison with the flow-through cell design and for experiments not requiring liquid flow) with a variety of targets. Key PLAL parameters, like repetition rate and flow rate of the solvent, that haven’t been tested before are studied in this work, understanding their effect on the production yield of the chains. Scalability of the utilized system was tested by quantifying the effect that an increase of the solvent used in the ablations (acetonitrile) has on the efficiency of production and comparing it to static configuration cases. Possibility of performing ablations in recycled solvents in order to cut costs and go towards a more eco-friendly and sustainable production was also investigated. The results obtained are promising and pave the way for other studies to go further in research of the matter. Moreover, they underline the fact that PLAL, in particular combined with a flow-through chamber recirculation system, is the prime candidate for upscaling the production of CAWs.

I fili atomici di carbonio (CAWs) sono strutture di carbonio ibridate sp, che presentano proprietà elettroniche, ottiche e meccaniche uniche. La sintesi dei CAW mediante metodi fisici è impegnativa a causa della loro instabilità e reattività, e richiede metodi innovativi per una produzione stabile. L’ ablazione laser pulsata in liquido (PLAL) offre un approccio promettente, ecologico e scalabile, sfruttando i laser pulsati ad alta intensità in mezzi liquidi per produrre nanostrutture. Questo studio indaga la sintesi di CAWs in particolare poliine, attraverso PLAL, concentrandosi sull’ottimizzazione dei sistemi di ricircolo con flusso dentro cella di ablazione, per migliorare la scalabilità della produzione. Le ablazioni sono state eseguite utilizzando un laser Nd:YAG ns pulsato alla lunghezza d’onda fondamentale di 1064 nm, con un sistema di flusso dentro cella di ablazione specificamente personalizzato, alimentato da una pompa a membrana peristaltica, progettato appositamente per gli esperimenti, e configurazioni statiche (utilizzate per il confronto con il design con flusso dentro cella di ablazione e per esperimenti che non richiedono flusso di liquido) con una varietà di target. In questo lavoro vengono studiati alcuni parametri chiave della PLAL, come la velocità di ripetizione del laser e la portata del solvente, che non sono stati testati prima, comprendendo il loro effetto sulla resa produttiva delle catene. La scalabilità del sistema utilizzato è stata testata quantificando l’effetto che un aumento del solvente utilizzato nelle ablazioni (acetonitrile) ha sull’efficienza della produzione e confrontandolo con casi di configurazione statica. È stata inoltre studiata la possibilità di eseguire ablazioni in solventi riciclati, al fine di ridurre i costi e andare verso una produzione più rispettosa dell’ambiente e sostenibile. I risultati ottenuti sono promettenti e aprono la strada ad altri studi per proseguire ulteriormente nella ricerca. Inoltre, sottolineano il fatto che la PLAL, in particolar modo se effettuata in configurazione con flusso dentro cella di ablazione, è la principale candidata per un ingrandimento della produzione di CAWs.