Nanoscale の多機能の文書: 性質は階層アーキテクチャを促しました

ディレクター、 Nanoscale の多機能の文書のための中心ライトの州立大学Sharmila M. Mukhopadhyay 教授
対応する著者: smukhopa@wright.edu

導入

効率的で、優雅な多機能材料の最も大きい変化は従来の人造材料の簡単で幾何学的な形に非常にほとんど発生しない自然な生物系で見られます。 表面インターフェイス関連プロセスにかかわる生体材料のために共通の幾何学は毛管、樹枝状結晶、毛、またはより大きい基板でサポートされるひれそっくりの接続機構を含みます。 感知、反応、料金の記憶の、熱/電気輸送または圧力の転送のような表面の敏感な機能を含む多機能の合成物質のデザインそして製造の同じような階層構造を組み込むことは有利かもしれません。

1 つがそのような構造を作成するために基材を選ぶこと黒鉛カーボンは多分最も多目的です。 sp2 カーボンの六角形シートは平面内の前例のない機械強さ、電気および熱伝導度、平面に正常なより弱い結束強さおよび伝導性があることができます。 従って、 graphene によって基づく固体の特性は頻繁に全面的な固体の六角形の平面の相対的なオリエンテーションによって定めることができます。

さまざまなグラフィームベースの構造の間で、カーボン nanotubes は (CNT)幾何学および次元による biomimetic 階層構造のための適したブロックである場合もあります。 さらに半径、 chirality、ヘリシティ、およびそれを1,2 スタックすることの制御が、それからプロセスパラメータによって制御されますけれども電気、熱の、機械および磁気特性の多数が合わせることができること、文献に適度な証拠があります。

最近の前進

かなりの努力は先生の実験室Mukhopadhyay's 多倍長スケールおよび機能性を含む材料を製造し、理解するための指示されています。 この検討は簡単で平らなグラファイトから複雑な細胞まで泡立つ及ぶことができるより大きい黒鉛の固体で接続したカーボン nanotubes に焦点を合わせま気孔率をオープン相互接続します。

多孔性の細胞構造は比較されるかなりより高い表面積を提供する軽量の固体のように物を密集させるために動作できます。 接続するかものが、またはマトリックスがそれらで浸透するどんなによって表面で、これらのコア構造はいろいろ表面活性コンポーネントかネット形の合成物で想像することができます。 nanotubes が気孔で接続することができればある特定のスペース内の表面積はそれによりあらゆる望ましい表面の機能性の潜在的能力を高める複数の一桁によって高めることができます3

この簡単に鳴る非常に最近まで、不均等な多孔性材料の強く接続された nanotubes を作成する為の確立された手順はありませんでした。 このグループの最近の進展はこれを可能に、マイクロウェーブ血しょうで作成することができる反応酸化物3-5 の前駆物質の nano 層のおかげでさせました。 これは形およびサイズの機能材料を取り、追加された表面の機能性のためにそれらの nanotubes を接続する可能性を開発します。 図 1 はこのプロセスによって得られる多孔性の黒鉛の泡で接続する CNT の画像を示します。

nanotubes の接続によって作成される微孔性の泡の図 1. 階層的な多孔性カーボン。 さまざまな拡大の画像: (a) (c) 20,000 X および (d) 150,000 50X (b) 500X X。

このタイプの泡のコアがエポキシのようなマトリックス材料と浸透するとき、余分な界面領域により 2 段階間の積層内の強さの顕著な増加を引き起こします。 図 2 は CNT の接続機構の有無にかかわらず作成される泡エポキシの合成物の機械試験結果を示します。 常連の泡は圧縮で粉砕するが、 CNT 接続された泡形式を広範なプラスチック変形を可能にする延性がある合成物形作ります壊れやすい合成物。 これらの泡材料は生物医学的な合成物のために可能な足場として今テストされています。

図 2. 泡エポキシの合成の標本の圧縮のテスト: 比較はの CNT の接続機構の有無にかかわらず泡立ちます。 (a) 圧力緊張はテストして (壊れやすい合成物は容易に押しつぶされます)、 (b) 合成物の写真が CNT 接続された泡とテストの後で作った後、 (b) 未処理の泡エポキシの合成物の写真計画します (折ないで変形させる) かなりより堅い合成物。 すべてのテストは持っていました 6X6X6 mm の立方体の次元を開始することを見本抽出します。

図 3 はそれらで培養される骨細胞を示します。 CNT の接続機構が生物的機能を改善する骨細胞の高密度で起因することをイメージ分析および生物的試金は示します。 グラファイトが非常に biocompatible であるので、これらのタイプの階層的な細胞合成物は未来の生物医学的なインプラントのための有望な候補者であるかもしれません。

培養される泡の図 3. 骨細胞: (a) セルを示す電子顕微鏡の画像は核 (青い) および細胞質 (ピンク) の細部を示す画像を汚すカーボン泡 (b) のセルでよく育ちます。

マトリックス材料との合成の形成に加えて、これらの構造の表面は電気化学および他の表面に敏感なアプリケーションのために必要とされるに応じて functionalized できます。 図 4 は特別に高い電気化学の作業のミニチュア固体に終って CNT 接続された構造で接続する Pd の nanoparticles を示します。 これらの構造は水素の記憶および浄水のために現在テストされています。

接続する図 1. の CNT 泡材料の図 4. パラジウム nano 粒子。 この構造は特別に高い触媒作用作業を示し、多くの潜在的なアプリケーションがあります。

要約すると、大自然はずっと生きている装置の表面積そして関連機能性を高めるのに毛管および樹枝状結晶のような階層構造を常に使用しています。 物質的な科学者はちょうどこの概念を使用し、 nanotubes がより大きい表面に接続し、続いて functionalized できる構造を作成し始めています。 この記事は材料のこの技術によって高めることができる装置および小さいサンプリングだけ述べます。 原則的には、もっとたくさんのアプリケーションは想像され、作成することができます。 新しいアーキテクチャが成長するので、表面に敏感な装置の新しい波はの触媒作用、写真voltaics、セル足場に感知関連し、ガス記憶アプリケーションは続くために区切られます。


参照

1. ピーター J.F. ハリス、 「カーボン Nanotube 科学: 統合、特性およびアプリケーション」、ケンブリッジ大学出版局、 (2009 年)。
2. M.S. Dresselhaus、 G. Dresselhaus、 Phaedon Avouris、 「カーボン Nanotubes: 統合、構造、特性およびアプリケーション」、スプリンガー、 (2001 年)。
3. S.M. Mukhopadhyay、多孔性の細胞表面で」接木している A. Karumuri および I.T. Barney、 「nanotube による階層的な nanostructures J. Phys。 D: Appl. Phys。 42、 195503、 (2009 年)。
4. R.V. Pulikollu、 S.R. Higgins、 S.M. Mukhopadhyay、 「微孔性のおよび nano 構成されたカーボンの修正のために適した nanoscale の酸化物のコーティングのモデル核形成および成長の調査」。 波。 コート。 Technol。、 203、 65-72、 (2008 年)。
5. R.V. Pulikollu および S.M. Mukhopadhyay、 「界面結束および nanotube の成長の制御のための Nanoscale コーティング」の、 Appl。 波。 Sci。 253、 7342-7352、 (2007 年)。

、版権 AZoNano.com Sharmila M. Mukhopadhyay (ライト大学) 教授

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

Last Update: 13. June 2013 23:20

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