Materiales Multifuncionales de Nanoscale: La Naturaleza Inspiró Configuraciones Jerárquicas

Profesor Sharmila M. Mukhopadhyay, Director, Centro para los Materiales Multifuncionales de Nanoscale, Universidad de Estado de Wright,
Autor Correspondiente: smukhopa@wright.edu

Introducción

La variedad más grande de materiales multifuncionales eficientes y elegantes se considera en los sistemas biológicos naturales, que ocurren muy raramente en las dimensiones de una variable geométricas simples de materiales artificiales tradicionales. Para los biomateriales implicados en procesos relacionados superficie-interfaz, las geometrías comunes implican los capilares, dendritas, pelo, o plano de deriva-como los accesorios utilizados en substratos más grandes. Puede ser beneficioso incorporar las estructuras jerárquicas similares en el diseño y la fabricación de los materiales sintetizados multifuncionales que implican las funciones sensibles superficiales tales como detectar, reactividad, transporte del almacenamiento de la carga, térmico/eléctrico o transferencia de la tensión.

Si uno era seleccionar una materia prima para crear tales estructuras, el carbón grafítico quizás será el más versátil. Las hojas Hexagonales del carbón sp2 pueden tener fuerza mecánica sin precedente, conductividad eléctrica y térmica dentro del avión, pero una bono-fuerza más débil y conductividades normales a los aviones. Por Lo Tanto, las propiedades de macizo basados graphene se pueden dictar a menudo por la orientación relativa de los aviones hexagonales en el macizo total.

Entre las diversas estructuras grafema-basadas, los nanotubes del carbón (CNT) pueden ser bloques huecos convenientes para las estructuras jerárquicas biomimetic, debido a su geometría y dimensiones. Por Otra Parte, hay pruebas razonables en la literatura1,2 que muchas de sus propiedades eléctricas, térmicas, mecánicas y magnéticas pueden ser adaptadas aunque el mando del radio, del chirality, de la helicidad, y de empilar eso puede, a su vez, ser controlado con parámetros de proceso.

Avances Recientes

El esfuerzo Importante se está dirigiendo en laboratorio del Dr. Mukhopadhyay fabricar y de entender los materiales que implican escalas de varios largos y funciones. Esta revista se centrará en los nanotubes del carbón asociados en macizo grafíticos más grandes, que pueden colocar del grafito plano simple a celular complejo hacen espuma abierto-interconectando porosidad.

Las estructuras celulares Porosas pueden comportarse como los macizo ligeros que proporcionan a una superficie importante más alta comparada para condensar unos. Dependiendo de qué se asocia en sus superficies, o de qué matriz se infiltra en ellos, estas estructuras de la base se pueden prever en una amplia variedad de componentes o de compuestos tensoactivos de la red-dimensión de una variable. Si los nanotubes se pueden asociar en los poros, la superficie dentro del espacio dado se puede aumentar en varios órdenes de magnitud, de tal modo aumentando la potencia de cualquier función superficial deseada3.

Este concepto puede sonar directo, pero hasta muy recientemente, no había procedimientos establecidos para crear nanotubes fuertemente asociados en los materiales porosos irregulares. Los Recientes desarrollos en este grupo han hecho esto posible, los gracias a una nano-capa del precursor del óxido reactivo3-5 que se puede crear en plasma de la microonda. Esto abre la posibilidad de tomar un material funcional de cualquier dimensión de una variable y talla, y de asociar nanotubes en ellos para las funciones superficiales adicionales. El Cuadro 1 muestra las imágenes de CNT asociadas en la espuma grafítica porosa obtenida por este proceso.

Cuadro 1. carbón poroso Jerárquico creado asociando nanotubes en espuma microcelular. Imágenes en las diversas magnificaciones: (a) 50X (b) 500X (c) 20.000 X y (d) 150.000 X.

Cuando este tipo de base de la espuma se infiltra con un material de matriz tal como epóxido, exceso del área de cara a cara causa aumento importante en fuerza interlaminar entre las dos fases. El Cuadro 2 muestra resultados de la prueba mecánicos en los compuestos espuma-de epoxy creados con y sin el accesorio de CNT. La espuma del asiduo forma un compuesto quebradizo que rompa en la compresión, solamente los formularios CNT-asociados de la espuma un compuesto dúctil que permita la deformación plástica extensa. Estos materiales de la espuma ahora se están probando como andamio posible para los compuestos biomédicos.

Cuadro 2. prueba de la Compresión de los especímenes compuestos espuma-de epoxy: la comparación de hace espuma con y sin el accesorio de CNT. (a) la tensión-deformación traza, (b) fotografía del compuesto espuma-de epoxy no tratado después de que probó (el compuesto quebradizo se machaca fácilmente), (b) la fotografía del compuesto hiciera con espuma CNT-asociada después de probar (un compuesto importante más resistente que deforma sin fracturar). Toda La prueba muestrea tenía comenzar dimensiones del cubo de 6X6X6 milímetro.

El Cuadro 3 muestra las células de hueso cultivadas en ellas. Los análisis de Imagen y los análisis biológicos indican que el accesorio de CNT da lugar a más de alta densidad de las células de hueso que mejoran la función biológica. Puesto Que el grafito es muy biocompatible, estos tipos de compuestos celulares jerárquicos pueden ser candidatos prometedores a los implantes biomédicos futuros.

Cuadro 3. células de Hueso cultivadas en espuma: (a) Las imágenes del Microscopio Electrónico que muestran las células crecen bien en la Célula de la espuma del carbón (b) que mancha las imágenes que muestran los detalles de los núcleos (azules) y del Citoplasma (festonear).

Además de la formación compuesta con los materiales de matriz, las superficies de estas estructuras se pueden functionalized según las necesidades para aplicaciones electroquímicas y las otras superficie-sensibles. El Cuadro 4 muestra los nanoparticles del Paladio asociados en las estructuras CNT-asociadas dando por resultado un macizo miniatura con actividad electroquímica excepcionalmente alta. Estas estructuras se están probando actualmente para el almacenamiento del hidrógeno y la purificación del agua.

Cuadro 4. nano-partículas del Paladio asociadas en el material de la CNT-espuma del Cuadro 1. Esta estructura muestra actividad catalítica excepcionalmente alta, y tiene muchas aplicaciones potenciales.

En resumen, la Madre Naturaleza ha utilizado siempre las estructuras jerárquicas tales como capilares y dendritas para aumentar la superficie y funciones relacionadas de dispositivos vivos. Los científicos Materiales apenas están comenzando a utilizar este concepto y a crear las estructuras donde los nanotubes pueden ser asociados a superficies más grandes y functionalized posteriormente. Este artículo menciona solamente un pequeño muestreo de los materiales y de los dispositivos que se pueden aumentar por esta técnica. En principio, muchas más aplicaciones pueden ser previstas y ser creadas. Pues las nuevas configuraciones se convierten, una nueva ola de dispositivos superficie-sensibles se relacionó con detectar, catálisis, foto-voltaics, andamio de la célula, y las aplicaciones del almacenamiento de gasolina están limitadas para seguir.


Referencias

1. Peter J.F. Harris, “Ciencia de Nanotube del Carbón: Síntesis, Propiedades y Aplicaciones”, Prensa de la Universidad de Cambridge, (2009).
2. M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, Phaedon Avouris, “Carbón Nanotubes: Síntesis, Estructura, Propiedades y Aplicaciones”, Saltador, (2001).
3. S.M. Mukhopadhyay, A. Karumuri e I.T. Barney, “nanostructures Jerárquicos por el nanotube injertando en superficies celulares porosas”, J. Phys. D: Appl. Phys. 42, 195503, (2009).
4. R.V. Pulikollu, S.R. Higgins, S.M. Mukhopadhyay, “estudios Modelo de la nucleación y del incremento de las capas del óxido del nanoscale convenientes para la modificación del carbón microcelular y nano-estructurado.” Resaca. Cubierta. Technol., 203, 65-72, (2008).
5. R.V. Pulikollu y S.M. Mukhopadhyay, “capas de Nanoscale para el mando de bonos y del incremento de cara a cara del nanotube”, Appl. Resaca. Sci. 253, 7342-7352, (2007).

Derechos De Autor AZoNano.com, Profesor Sharmila M. Mukhopadhyay (Universidad de Wright)

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

Last Update: 13. June 2013 23:42

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