Matériaux Multifonction de Nanoscale : La Nature A Inspiré des Architectures Hiérarchiques

Professeur Sharmila M. Mukhopadhyay, Directeur, Centre pour les Matériaux Multifonction de Nanoscale, Université De L'Etat De Wright,
Auteur Correspondant : smukhopa@wright.edu

Introduction

La plus grande variété de matériaux multifonction efficaces et élégants est vue dans des systèmes biologiques naturels, qui se produisent très rarement dans les formes géométriques simples des matériaux fabriqués par l'homme traditionnels. Pour des matières biologiques concernées dans des procédés associés parsurface adjacente, les géométries communes comportent des capillaires, des dendrites, des cheveux, ou des connexions ailette ailette supportées sur de plus grands substrats. Il peut être avantageux de comporter les structures hiérarchisées assimilées dans le design et la fabrication des matériaux synthétiques multifonction qui concernent des fonctionnements tensio-sensibles tels que se sentir, réactivité, transport ou transfert de mémoire de charge, thermique/électrique de stress.

Si on étaient de sélecter une matière première pour produire de telles structures, le carbone graphitique peut-être sera le plus versatile. Les feuilles Hexagonales du carbone sp2 peuvent avoir la force mécanique sans précédent, élém. élect. et la conduction thermique dans le plan, mais la plus faible obligation-force et les conductivités normales aux plans. Par Conséquent, des propriétés des solides basés de graphene peuvent souvent être dictées par l'orientation relative des plans hexagonaux dans le solide général.

Parmi les structures graphème-basées variées, les nanotubes de carbone (CNT) peuvent convenir les synthons pour les structures hiérarchisées biomimetic, dus à la leur géométrie et cotes. D'ailleurs, il y a de preuve raisonnable dans la littérature1,2 que plusieurs de leurs propriétés électriques, thermiques, mécaniques et magnétiques peuvent être réglées bien que le contrôle du radius, du chirality, de l'hélicité, et d'empiler cela puisse, consécutivement, être réglé par des paramètres de processus.

Progrès Récents

L'Effort important est dirigé dans le laboratoire de M. Mukhopadhyay's fabriquer et comprendre des matériaux concernant les échelles à longueur aléatoire et les fonctionnalités. Cette révision se concentrera sur des nanotubes de carbone fixée sur de plus grands solides graphitiques, qui peuvent s'échelonner du graphite plat simple aux mousses cellulaires complexes ouvert-ayant interconnecté la porosité.

Les structures cellulaires Poreuses peuvent se comporter comme les solides légers fournissant une surface sensiblement plus élevée comparée pour rendre ceux compacts. Selon ce qui est fixée sur leurs surfaces, ou le quel modification est infiltrée dans eux, ces structures de noyau peuvent être envisagées dans une grande variété de composants ou de composés tensio-actifs de réseau-forme. Si des nanotubes peuvent être fixés dans les pores, la surface dans l'espace donné peut être augmentée par plusieurs ordres de grandeur, augmentant de ce fait le pouvoir de n'importe quelle fonctionnalité extérieure désirée3.

Ce concept peut sembler droit, mais jusque très à récent, il n'y avait aucune procédure déterminée pour produire des nanotubes fortement joints sur les matériaux poreux inégaux. Les Développements récents dans ce groupe ont rendu ceci possible, grâce à une nano-couche de précurseur d'oxyde réactif3-5 qui peut être produite dans le plasma d'hyperfréquences. Ceci ouvrent la possibilité de prendre un matériau fonctionnel de n'importe quelle taille et forme, et de fixer des nanotubes sur eux pour la fonctionnalité extérieure ajoutée. Le Schéma 1 affiche des images de CNT fixées sur le mousse graphitique poreux obtenu par ce procédé.

Le Schéma 1. carbone poreux Hiérarchique produit en fixant des nanotubes sur le mousse microcellulaire. Images aux agrandissements variés : (a) 50X (b) 500X (c) 20.000 X et (d) 150.000 X.

Quand ce type de noyau de mousse est infiltré avec du matériau de modification tel que l'époxyde, la zone dièdre excédentaire entraîne l'augmentation significative dans la force interlaminaire entre les deux phases. Le Schéma 2 donne des résultats de test mécaniques sur les composés mousse-époxydes produits avec et sans la connexion de CNT. Le mousse régulier forme un composé fragile qui se brise dans le compactage, mais les formes CNT-fixées de mousse un composé étirable qui permet la vaste déformation en plastique. Ces matériaux de mousse maintenant sont testés en tant qu'échafaudage possible pour les composés biomédicaux.

Le Schéma 2. test de Compactage des spécimens composés mousse-époxydes : comparaison des mousses avec et sans la connexion de CNT. (a) traçages de contrainte-tension, (b) photo de composé mousse-époxyde non traité après que testant (le composé fragile est facilement écrasé), (b) la photo du composé ait effectué avec du mousse CNT-fixé après test (un composé sensiblement plus dur qui déforme sans rompre). Tout Le test échantillonne a eu commencer des cotes de cube en 6X6X6 millimètre.

Le Schéma 3 affiche des cellules d'os cultivées sur elles. Les Analyses d'image et les analyses biologiques indiquent que la connexion de CNT a comme conséquence plus à haute densité des cellules d'os ayant amélioré le rôle biologique. Puisque le graphite est très biocompatible, ces types de composés cellulaires hiérarchiques peuvent être les candidats prometteurs pour de futurs implants biomédicaux.

Le Schéma 3. cellules d'Os cultivées sur le mousse : (a) Les images de Microscope Électronique affichant des cellules se développent bien sur la Cellule du mousse de carbone (b) souillant des images affichant des détails des noyaux (bleus) et de Cytoplasme (rose).

En plus de la formation composée avec des matériaux de modification, les surfaces de ces structures peuvent functionalized comme nécessaire pour applications électrochimiques et autres tensio-sensibles. Le Schéma 4 affiche des nanoparticles de Palladium fixés sur les structures CNT-fixées ayant pour résultat un solide miniature avec l'activité électrochimique particulièrement élevée. Ces structures actuel sont testées pour la mémoire d'hydrogène et la purification d'eau.

Le Schéma 4. nano-particules de Palladium jointes sur le matériau de CNT-mousse du Schéma 1. Cette structure affiche l'activité catalytique particulièrement élevée, et a beaucoup d'applications possibles.

En résumé, la Mère Nature a toujours employé les structures hiérarchisées telles que des capillaires et des dendrites pour augmenter la surface et la fonctionnalité associée des dispositifs vivants. Les scientifiques Matériels commencent juste à utiliser ce concept et à produire des structures où des nanotubes peuvent être fixés à de plus grandes surfaces et ultérieurement functionalized. Cet article mentionne seulement un petit échantillonnage des matériaux et des dispositifs qui peuvent être améliorés par cette technique. En principe, beaucoup plus d'applications peuvent être envisagées et produites. Car les architectures neuves se développent, une onde neuve des dispositifs tensio-sensibles a associé à se sentir, catalyse, photo-voltaics, échafaudage de cellules, et des applications de mémoire de gaz est liées pour suivre.


Références

1. Peter J.F. Harris, « la Science de Nanotube de Carbone : Synthèse, Propriétés et Applications », Presse d'Université de Cambridge, (2009).
2. M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, Phaedon Avouris, « Nanotubes de Carbone : Synthèse, Structure, Propriétés et Applications », Springer, (2001).
3. S.M. Mukhopadhyay, A. Karumuri et I.T. Barney, « nanostructures Hiérarchiques par nanotube greffant sur les surfaces cellulaires poreuses », J. Phys. D : APPL. Phys. 42, 195503, (2009).
4. R.V. Pulikollu, S.R. Higgins, S.M. Mukhopadhyay, « études Modèles de nucléation et d'accroissement des couches d'oxyde de nanoscale adaptées pour la modification du carbone microcellulaire et nano-structuré. » Ressac. Couche. Technol., 203, 65-72, (2008).
5. R.V. Pulikollu et S.M. Mukhopadhyay, « couches de Nanoscale pour le contrôle des obligations et de l'accroissement dièdres de nanotube », APPL. Ressac. Sci. 253, 7342-7352, (2007).

Droit d'auteur AZoNano.com, Professeur Sharmila M. Mukhopadhyay (Université de Wright)

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

Last Update: 13. June 2013 23:10

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