Materiali Multifunzionali di Nanoscale: La Natura Ha Ispirato le Architetture Gerarchiche

Il Professor Sharmila M. Mukhopadhyay, Direttore, Centro per i Materiali Multifunzionali di Nanoscale, Wright State University,
Autore Corrispondente: smukhopa@wright.edu

Introduzione

La più grande varietà di materiali multifunzionali efficienti ed eleganti è veduta nei sistemi biologici naturali, che si presentano molto raramente nelle forme geometriche semplici dei materiali artificiali tradizionali. Per le materie biologiche in questione nei trattamenti riferiti superficie-interfaccia, le geometrie comuni comprendono i capillari, i dendrites, i capelli, o i collegamenti del tipo di aletta di supporto sui più grandi substrati. Può essere utile comprendere le simili strutture gerarchiche nella progettazione e nella lavorazione dei materiali sintetici multifunzionali che comprendono le funzioni sensibili di superficie quali la percezione, la reattività, il trasporto di archiviazione della tassa, o trasferimento termico/elettrico di sforzo.

Se uno fosse di selezionare un materiale di base per la creazione delle tali strutture, il carbonio grafitico forse sarà il più versatile. Le lamiere sottili Esagonali di carbonio sp2 possono avere la concentrazione meccanica senza precedenti, la conducibilità elettrica e termica all'interno dell'aereo, ma la obbligazione-concentrazione più debole e conducibilità normali agli aerei. Di Conseguenza, i beni dei solidi basati graphene possono essere dettati spesso dall'orientamento relativo degli aerei esagonali nel solido globale.

Fra le varie alle strutture basate a grafema, i nanotubes del carbonio (CNT) possono essere particelle elementari adatte per le strutture gerarchiche biomimetic, dovuto la loro geometria e dimensioni. Inoltre, c'è prova ragionevole nella letteratura1,2 che molti dei loro beni elettrici, termici, meccanici e magnetici possono essere adattati sebbene il controllo del raggio, della chiralità, dell'elicità e di impilamento del quello possa, a sua volta, essere controllato con i parametri trattati.

Avanzamenti Recenti

Lo sforzo Significativo sta dirigendo nel laboratorio del Dott. Mukhopadhyay da costruzione e capire i materiali che comprendono i disgaggi multipli e le funzionalità di lunghezza. Questo esame metterà a fuoco sui nanotubes del carbonio fissati sui più grandi solidi grafitici, che possono variare dalla grafite piana semplice alle schiume cellulari complesse che collegano la porosità.

Le strutture cellulari Porose possono comportarsi come i solidi leggeri che forniscono l'area significativamente più alta confrontata per comprimere quelli. Secondo che cosa è fissato sulle loro superfici, o il che matrice si infiltra in in loro, queste strutture di memoria possono essere prevedute in un'ampia varietà di componenti o di compositi tensioattivi di netto-forma. Se i nanotubes possono essere fissati nei pori, l'area all'interno dello spazio dato può essere aumentata da parecchi ordini di grandezza, quindi aumentanti la potenza di tutta la funzionalità di superficie desiderata3.

Questo concetto può sondare diretto, ma fino a molto recentemente, non c'erano procedure stabilite per la creazione dei nanotubes forte fissati sui materiali porosi irregolari. Gli sviluppi Recenti in questo gruppo hanno permesso questo, grazie ad un nano-livello del precursore di ossido reattivo3-5 che può essere creato nel plasma di microonda. Ciò apre la possibilità di cattura del materiale funzionale di tutte le forma e dimensione e di fissare i nanotubes su loro per la funzionalità di superficie aggiunta. Figura 1 mostra le immagini di CNT fissate su schiuma grafitica porosa ottenuta tramite questo trattamento.

Figura 1. carbonio poroso Gerarchico creato fissando i nanotubes su schiuma microcellulare. Immagini ai vari ingrandimenti: (a) 50X (b) 500X (c) 20.000 X e (d) 150.000 X.

Quando questo tipo di memoria della schiuma si infiltra in con un materiale di matrice quale epossidico, l'area interfacciale in eccesso causa l'importante crescita nella concentrazione interlaminar fra le due fasi. Figura 2 mostra i risultati dei test meccanici sui compositi schiuma-a resina epossidica creati con e senza il collegamento di CNT. La schiuma regolare forma un composito friabile che si rompe nella compressione, ma i moduli CNT-fissati della schiuma un composito duttile che permette l'estesa deformazione di plastica. Questi materiali della schiuma ora stanno provandi come armatura possibile a compositi biomedici.

Figura 2. prova di Compressione degli esemplari compositi schiuma-a resina epossidica: confronto delle schiume con e senza il collegamento di CNT. tracciati di sforzo-tensione (a), (b) fotografia del composito schiuma-a resina epossidica non trattato dopo che provando (il composito friabile è schiacciato facilmente), (b) fotografia del composito fatta con schiuma CNT-fissata dopo le prove (composito significativamente più duro che deforma senza fratturare). Tutti I campioni hanno avuti iniziare le dimensioni del cubo di 6X6X6 millimetro.

Figura 3 mostra le celle dell'osso coltivate su loro. Le analisi sulla base di immagini e le analisi biologiche indicano che il collegamento di CNT provoca più ad alta densità delle celle di osso che migliorano la funzione biologica. Poiché la grafite è molto biocompatibile, questi tipi di compositi cellulari gerarchici possono promettere ai candidati per gli innesti biomedici futuri.

Figura 3. celle dell'Osso coltivate su schiuma: (a) Le immagini del Microscopio Elettronico che mostrano le celle si sviluppano bene sulla schiuma del carbonio (b) Cella che macchia le immagini che mostrano i dettagli dei nuclei (blu) e del Citoplasma (rosa).

Oltre a formazione composita con i materiali di matrice, le superfici di queste strutture possono essere functionalized come stato necessario per a applicazioni elettrochimiche ed altre superficie sensibili. Figura 4 mostra le nanoparticelle di Palladio fissate sulle strutture CNT-fissate con conseguente solido miniatura con attività elettrochimica particolarmente alta. Queste strutture corrente stanno provande ad archiviazione ed a depurazione delle acque dell'idrogeno.

Figura 4. nano-particelle del Palladio fissate sul materiale della CNT-schiuma di Figura 1. Questa struttura mostra l'attività catalitica particolarmente alta ed ha molte applicazioni potenziali.

Riassumendo, la Madre Natura ha usato sempre le strutture gerarchiche quali i capillari ed i dendrites per aumentare l'area e la funzionalità riferita delle unità viventi. Gli scienziati Materiali stanno cominciando appena ad usare questo concetto ed a creare le strutture in cui i nanotubes possono essere fissati alle più grandi superfici e successivamente essere functionalized. Questo articolo cita soltanto una piccola campionatura dei materiali e delle unità che possono essere migliorati da questa tecnica. In linea di principio, le molte altre applicazioni possono essere prevedute e create. Poichè le nuove architetture si sviluppano, un new wave alle delle unità superficie sensibili si è riferito alla percezione, la catalisi, la foto-voltaics, armatura delle cellule e le applicazioni di archiviazione di gas è limitata per seguire.


Riferimenti

1. Peter J.F. Harris, “Scienza di Nanotube del Carbonio: Sintesi, Beni ed Applicazioni„, Stampa dell'Università di Cambridge, (2009).
2. M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, Phaedon Avouris, “Carbonio Nanotubes: Sintesi, Struttura, Beni ed Applicazioni„, Springer, (2001).
3. S.M. Mukhopadhyay, A. Karumuri ed I.T. Barney, “nanostructures Gerarchici da nanotube innestante sulle superfici cellulari porose„, J. Phys. D: Appl. Phys. 42, 195503, (2009).
4. R.V. Pulikollu, S.R. Higgins, S.M. Mukhopadhyay, “studi Di Modello di crescita e di nucleazione dei rivestimenti dell'ossido del nanoscale adatti a modifica di carbonio microcellulare e nano-strutturato.„ Spuma. Cappotto. Technol., 203, 65-72, (2008).
5. R.V. Pulikollu e S.M. Mukhopadhyay, “rivestimenti di Nanoscale per controllo delle obbligazioni e della crescita interfacciali del nanotube„, Appl. Spuma. Sci. 253, 7342-7352, (2007).

Copyright AZoNano.com, il Professor Sharmila M. Mukhopadhyay (Università di Wright)

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

Last Update: 13. June 2013 23:17

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