MultifunktionsMaterialien Nanoscale: Natur Spornte Hierarchische Architektur an

Professor Sharmila M. Mukhopadhyay, Direktor, Mitte für MultifunktionsMaterialien Nanoscale, Wright-Staatliche Universität,
Entsprechender Autor: smukhopa@wright.edu

Einleitung

Die größte Vielzahl von effizienten und eleganten Multifunktionsmaterialien wird in den natürlichen biologischen Anlagen gesehen, die sehr selten in den einfachen geometrischen Formen von traditionellen künstlichen Materialien auftreten. Für die Biosubstanzen, die in Oberflächeschnittstelle in Verbindung gestandene Prozesse mit einbezogen werden, beziehen geläufige Geometrie Kapillaren, Dendriten, Haar oder die Flosse ähnlichen Auhänge, die auf größeren Substratflächen unterstützt werden mit ein. Es ist möglicherweise nützlich, ähnliche Baumstrukturen in der Auslegung und in der Fälschung von Multifunktionskunststoffen zu enthalten, die empfindliche Oberflächenfunktionen wie Ermittlen, Reaktivität, Ladungsspeicher-, thermischer/elektrischertransport oder Druckübertragung miteinbeziehen.

Wenn man, ein Grundmaterial für das Erstellen solcher Zellen auszuwählen waren, ist Graphitkohlenstoff möglicherweise das vielseitigste. Sechseckige Blätter des Kohlenstoffes sp2 können beispiellose mechanische Festigkeit, elektrische und Wärmeleitfähigkeit innerhalb des Flugzeuges, aber schwächere Haftfestigkeit und die Leitfähigkeiten haben, die zu den Flugzeugen normal sind. Deshalb können Eigenschaften von graphene basierten Körpern durch relative Orientierung der sechseckigen Flugzeuge im Gesamtkörper häufig vorgeschrieben werden.

Unter verschiedenen Graphem-basierten Zellen können Kohlenstoff (CNT) nanotubes die geeigneten Bausteine für die biomimetic Baumstrukturen sein, wegen ihrer Geometrie und Abmessungen. Außerdem gibt es angemessenen Beweis in der Literatur, 1,2 dass viele ihrer elektrischen, thermischen, mechanischen und magnetischen Eigenschaften hergestellt werden können, obwohl Regelung des Radius, des chirality, der Helizität und des Stapelns das kann durch Prozessparameter esteuert der Reihe nach sein.

Neue Fortschritte

Beträchtliche Bemühung wird in Labor Dr. Mukhopadhyays, die Materialien zu fabrizieren und zu verstehen verwiesen, die mehrfache Wortlängen- Schuppen und Funktionalitäten mit einbeziehen. Diese Zusammenfassung konzentriert sich auf Kohlenstoff nanotubes, die auf größeren Graphitkörpern befestigt werden, die vom einfachen flachen Graphit bis zu komplexem zellulärem reichen können schäumt, Porosität offen-untereinander verbinden.

Poröse Zellaufbauten können sich wie die leichten Körper benehmen, welche die beträchtlich höhere Fläche bereitstellen, die verglichen wird, um eine zusammenzupressen. Abhängig von, was auf ihren Oberflächen befestigt wird oder welcher Grundmasse in sie eingesickert wird, können diese Kernzellen in einer großen Vielfalt von oberflächenaktiven Bauteilen oder von Netzform Zusammensetzungen vorgestellt werden. Wenn nanotubes in den Poren befestigt werden können, kann die Fläche innerhalb des gegebenen Platzes durch einige Größenordnungen erhöht werden, dadurch sie erhöht sie die Kraft jeder gewünschten Oberflächenfunktionalität3.

Dieses Konzept klingt Geradeaus, aber bis sehr vor kurzem, gab es keine festgelegten Prozeduren für das Erstellen von stark befestigten nanotubes auf ungleichen porösen Materialien. Neuentwicklungen in dieser Gruppe haben dieses, dank eine Vorläufer Nano-schicht des reagierenden Oxids ermöglicht, 3-5 die im Mikrowellenplasma erstellt werden kann. Dieses erschließen die Möglichkeit des Nehmens eines Funktionsmaterials jeder möglicher Form und Größe und der Befestigung von nanotubes auf ihnen für hinzugefügte Oberflächenfunktionalität. Abbildung 1 zeigt die Bilder von CNT befestigt auf dem porösen Graphitschaumgummi, der durch diesen Prozess erreicht wird.

Abbildung 1. Hierarchischer poröser Kohlenstoff hergestellt durch die Befestigung von nanotubes auf mikrozellularem Schaumgummi. Bilder an den verschiedenen Vergrößerungen: (a) 50X (b) 500X (c) 20.000 X und (d) 150.000 X.

Wenn dieses Baumuster des Schaumgummikernes mit einem Matrixmaterial wie Epoxy-Kleber eingesickert wird, verursacht der überschüssige Zwischenflächen- Bereich bedeutenden Anstieg in der interlaminaren Stärke zwischen den zwei Phasen. Abbildung 2 zeigt mechanische Testergebnisse auf den Schaumgummi-Epoxidzusammensetzungen, die mit und ohne CNT-Anhang erstellt werden. Der Regularschaumgummi bildet eine spröde Zusammensetzung, die in der Drucklufterzeugung zerbricht, aber die CNT-befestigten Schaumgummiformulare eine duktile Zusammensetzung, die umfangreiche Plastikdeformation erlaubt. Diese Schaumgummimaterialien werden jetzt als mögliches Baugerüst auf biomedizinische Zusammensetzungen geprüft.

Abbildung 2. Drucklufterzeugungsprüfung von Schaumgummi-Epoxidzusammengesetzten Probenmaterialien: Vergleich von schäumt mit und ohne CNT-Anhang. nach der Prüfung, (a) stellt Belastung, (b) Fotografie der unbehandelten Schaumgummi-Epoxidzusammensetzung grafisch dar, nachdem sie geprüft hatte (spröde Zusammensetzung wird leicht zerquetscht), (b) Fotografie der Zusammensetzung mit CNT-befestigtem Schaumgummi machte (beträchtlich stärkere Zusammensetzung, die sich verformt, ohne zu zerbrechen). Alle Prüflinge hatten das Beginnen von Abmessungen von Würfel 6X6X6 mm.

Abbildung 3 zeigt die Knochenzellen, die auf ihnen gezüchtet werden. Bildanalysen und biologische Wertbestimmungen zeigen an, dass CNT-Anhang mit hoher Schreibdichte von den Knochenzellen ergibt, die biologische Funktion verbessert werden. Da Graphit sehr biocompatible ist, sind möglicherweise diese Baumuster von hierarchischen zellulären Zusammensetzungen viel versprechende Kandidaten für zukünftige biomedizinische Implantate.

Abbildung 3. Knochenzellen gezüchtet auf Schaumgummi: (a) Die Elektronenmikroskopbilder, die Zellen zeigen, wachsen gut auf Kohlenstoffschaumgummi (b) Zelle, welche die Bilder befleckt, die Details der Kerne zeigen (blau) und des Zytoplasmas (Rosa).

Zusätzlich zur zusammengesetzten Entstehung mit Matrixmaterialien, können die Oberflächen dieser Zellen functionalized, wie für die elektrochemischen und anderen Oberfläche-empfindlichen Anwendungen gebraucht. Abbildung 4 zeigt die nanoparticles von PD befestigt auf CNT-befestigten Zellen mit dem Ergebnis eines Miniaturkörpers mit außergewöhnlich hoher elektrochemischer Aktivität. Diese Zellen werden aktuell auf Wasserstoffspeicher und -Wasseraufbereitung geprüft.

Abbildung 4. Palladium Nano-partikel befestigt auf dem CNT-Schaumgummi Material von Abbildung 1. Diese Zelle zeigt außergewöhnlich hohe katalytische Aktivität und hat viele möglichen Anwendungen.

Zusammenfassend hat Mutter Natur immer Baumstrukturen wie Kapillaren und Dendriten verwendet, um Fläche und in Verbindung gestandene Funktionalität von lebenden Einheiten zu erhöhen. Materielle Wissenschaftler fangen gerade an, dieses Konzept zu verwenden und Zellen zu erstellen, in denen nanotubes zu den größeren Oberflächen befestigt werden und nachfolgend functionalized können. Dieser Artikel erwähnt nur ein kleines Musterstück von Materialien und von Einheiten, die durch diese Technik erhöht werden können. Prinzipiell können viele mehr Anwendungen vorgestellt werden und erstellt werden. Da neue Architektur sich entwickelt, stand eine neue Welle von Oberfläche-empfindlichen Einheiten auf dem Ermittlen, Katalyse, Foto-voltaics, Zellbaugerüst in Verbindung, und Gasspeicheranwendungen wird gesprungen, um zu folgen.


Bezüge

1. Peter J.F. Harris, „Kohlenstoff Nanotube-Wissenschaft: Synthese, Eigenschaften und Anwendungen“, Universität von Cambridges-Druckerei, (2009).
2. M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, Phaedon Avouris, „Kohlenstoff Nanotubes: Synthese, Zelle, Eigenschaften und Anwendungen“, Springer, (2001).
3. S.M. Mukhopadhyay, A. Karumuri und I.T. Barney, „Hierarchische nanostructures durch nanotube verpflanzend auf porösen zellulären Oberflächen“, J. Phys. D: Appl. Phys. 42, 195503, (2009).
4. R.V. Pulikollu, S.R. Higgins, S.M. Mukhopadhyay, „Vorbildliche Kernbildungs- und Wachstumsstudien von den nanoscale Oxidbeschichtungen geeignet für Modifikation des mikrozellularen und Nano--strukturierten Kohlenstoffes.“ Brandung. Mantel. Technol., 203, 65-72, (2008).
5. R.V. Pulikollu und S.M. Mukhopadhyay, „Nanoscale-Beschichtungen zur Regelung von Zwischenflächen- Anleihen und von nanotube Wachstum“, Appl. Brandung. Sci. 253, 7342-7352, (2007).

Copyright AZoNano.com, Professor Sharmila M. Mukhopadhyay (Wright-Universität)

Date Added: Jan 17, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 13. June 2013 23:13

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