De Multifunctionele Materialen van Nanoscale: De Aard Inspireerde Hiërarchische Architectuur

Professor Sharmila M. Mukhopadhyay, Directeur, Centrum voor Nanoscale Multifunctionele Materialen, de Universiteit van de Staat van Wright,
Overeenkomstige auteur: smukhopa@wright.edu

Inleiding

De grootste verscheidenheid van efficiënte en elegante multifunctionele materialen wordt gezien in natuurlijke biologische systemen, die zeer zelden in de eenvoudige geometrische vormen van traditionele kunstmatige materialen voorkomen. Voor biologisch materialen betrokken bij oppervlakte-interface verwante processen, impliceert de gemeenschappelijke meetkunde haarvaten, dendrieten, haar, of vin-als die gehechtheid op grotere substraten wordt gesteund. Het kan voordelig zijn om gelijkaardige hiërarchische structuren in het ontwerp en de vervaardiging van multifunctionele synthetische materialen op te nemen die oppervlakte gevoelige functies zoals het ontdekken, reactiviteit, lastenopslag, thermische/elektrovervoer of spanningsoverdracht impliceren.

Als men een grondstof moest selecteren voor het creëren van dergelijke structuren, zal de grafietkoolstof misschien het meest veelzijdig zijn. De Hexagonale bladen van sp2 koolstof kunnen een ongekende mechanische sterkte, elektro en warmtegeleidingsvermogen binnen het vliegtuig, maar zwakker band-sterkte en geleidingsvermogen hebben normaal aan de vliegtuigen. Daarom kunnen de eigenschappen van graphene gebaseerde vaste lichamen vaak door relatieve richtlijn van de hexagonale vliegtuigen in het algemene vaste lichaam worden gedicteerd.

Onder diverse grapheme-gebaseerde structuren, kan de koolstof (CNT) nanotubes geschikte bouwstenen voor de biomimetic hiërarchische structuren zijn, wegens hun meetkunde en afmetingen. Voorts is er redelijk bewijsmateriaal in de literatuur1,2 dat veel van hun elektrische, thermische, mechanische en magnetische eigenschappen kunnen worden gemaakt hoewel controle van straal, chirality, helicity, en het stapelen die, beurtelings, door procesparameters kan worden gecontroleerd.

Recente Vooruitgang

De Significante inspanning wordt opdracht gegeven aan in het laboratorium van Dr. Mukhopadhyay's om materialen te vervaardigen en te begrijpen implicerend veelvoudige lengteschalen en functionaliteit. Dit overzicht zal zich op koolstof nanotubes in bijlage op grotere grafietvaste lichamen concentreren, die zich van eenvoudig vlak grafiet aan complex cellulair schuim kunnen uitstrekken heeft open-onderling verbonden poreusheid.

De Poreuze cellulaire structuren kunnen zich als lichtgewichtvaste lichamen gedragen die beduidend hogere oppervlakte in vergelijking met compacte degenen verstrekken. Afhankelijk van wat op hun oppervlakten in bijlage is, of welke matrijs in hen wordt geïnfiltreerd, kunnen deze kernstructuren in een grote verscheidenheid van capillair-actieve componenten of netto-vormsamenstellingen worden voorzien. Als nanotubes in de poriën kan worden vastgemaakt, kan de oppervlakte binnen de bepaalde ruimte met verscheidene grootteordes worden verhoogd, daardoor verhogend de kracht van om het even welke gewenste oppervlaktefunctionaliteit3.

Dit concept kan ongecompliceerd klinken, maar tot zeer onlangs, waren er geen bepaalde procedures voor creëren sterk in bijlage nanotubes op ongelijke poreuze materialen. De Recente ontwikkelingen in deze groep hebben dit mogelijk, dankzij een voorloper nano-laag van reactief oxyde gemaakt3-5 dat in microgolfplasma kan worden gecreeerd. Dit biedt de mogelijkheid om een functioneel materiaal van om het even welke vorm en grootte te nemen, en nanotubes op hen voor toegevoegde oppervlaktefunctionaliteit vast te maken. Figuur 1 toont beelden van CNT in bijlage op poreus grafietdieschuim door dit proces wordt verkregen.

Figuur 1. Hiërarchische poreuze die koolstof door nanotubes op microcellulair schuim wordt gecreeerd vast te maken. Beelden bij diverse vergrotingen: (a) 50X (b) 500X (c) 20.000 X en (d) 150.000 X.

Wanneer dit type van schuimkern met een matrijsmateriaal zoals epoxy wordt geïnfiltreerd, veroorzaakt het bovenmatige gebied tussen twee raakvlakken significante verhoging van interlaminar sterkte tussen de twee fasen. Figuur 2 toont mechanische testresultaten op schuim-epoxydiesamenstellingen met en zonder gehechtheid CNT worden gecreeerd. Het regelmatige schuim vormt een brosse samenstelling die in compressie verbrijzelt, maar het schuim CNT-In bijlage vormt een kneedbare samenstelling die uitgebreide plastic misvorming toestaat. Deze schuimmaterialen worden nu getest als mogelijke steiger voor biomedische samenstellingen.

Figuur 2. Het testen van de Compressie van schuim-epoxy samengestelde specimens: vergelijking van schuim met en zonder gehechtheid CNT. (a) stress-strain percelen, (b) foto van onbehandelde schuim-epoxysamenstelling na het testen (de brosse samenstelling wordt gemakkelijk verpletterd), (b) die foto van samenstelling met schuim CNT-In bijlage na het testen wordt gemaakt (beduidend taaiere samenstelling die zonder het breken misvormt). Alle teststeekproeven hadden beginnende afmetingen van 6X6X6mm kubus.

Figuur 3 toont beencellen op hen worden gecultiveerd die. De analyses van het Beeld en de biologische analyses wijzen erop dat de gehechtheid CNT in hogere dichtheid van beencellen die biologische functie hebben verbeterd resulteert. Aangezien het grafiet zeer biocompatibel is, kunnen deze types van hiërarchische cellulaire samenstellingen kandidaten voor toekomstige biomedische implants beloven.

Figuur 3. De cellen van het Been op schuim worden gecultiveerd dat: (a) groeien de beelden die van de Elektronenmicroscoop cellen tonen goed op de Cel die van het koolstofschuim (b) beelden bevlekken die details van de (blauwe) tonen kernen en (roze) Cytoplasma.

Naast samengestelde vorming met matrijsmaterialen, kunnen de oppervlakten van deze structuren zijn functionalized zoals nodig voor elektrochemische en andere surface-sensitive toepassingen. Figuur 4 toont nanoparticles van Pd in bijlage op structuren CNT-In bijlage resulterend in een miniatuurvast lichaam met uitzonderlijk hoge elektrochemische activiteit. Deze structuren worden momenteel getest voor waterstofopslag en waterreiniging.

Figuur 4. De nano-deeltjes van het Palladium in bijlage op het CNT-Schuim materiaal van Figuur 1. Deze structuur toont uitzonderlijk hoge katalytische activiteit, en heeft vele potentiële toepassingen.

Samengevat, heeft de Aard van de Moeder altijd hiërarchische structuren zoals haarvaten en dendrieten gebruikt om oppervlakte en verwante functionaliteit van het leven apparaten te verhogen. De Materiële wetenschappers beginnen enkel dit concept te hanteren en structuren tot stand te brengen waar nanotubes aan grotere oppervlakten kan worden vastgemaakt en later functionalized. Dit artikel vermeldt slechts een kleine bemonstering van materialen en apparaten die door deze techniek kan worden verbeterd. In principe, kunnen veel meer toepassingen worden voorzien en worden tot stand gebracht. Aangezien de nieuwe architectuur zich ontwikkelt, is een nieuwe golf van surface-sensitive apparaten met betrekking tot het ontdekken, katalyse, foto-voltaics, celsteiger, en de toepassingen van de gasopslag verbindend om te volgen.


Verwijzingen

1. Peter J.F. Harris, „de Wetenschap van Nanotube van de Koolstof: Synthese, Eigenschappen en Toepassingen“, de Universitaire Pers van Cambridge, (2009).
2. M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, Phaedon Avouris, „Koolstof Nanotubes: Synthese, Structuur, Eigenschappen en Toepassingen“, Aanzetsteen, (2001).
3. S.M. Mukhopadhyay, A. Karumuri en I.T. Barney, „Hiërarchische nanostructures door nanotube die op poreuze cellulaire oppervlakten“ enten, J. Phys. D: Appl. Phys. 42, 195503, (2009).
4. R.V. Pulikollu, S.R. Higgins, S.M. Mukhopadhyay, „Modelnucleation en de groeistudies van de deklagen van het nanoscaleoxyde geschikt voor wijziging van microcellulaire en nano-gestructureerde koolstof.“ Branding. Laag. Technol., 203, 65-72, (2008).
5. R.V. Pulikollu en S.M. Mukhopadhyay, „deklagen Nanoscale voor controle van banden en nanotube de groei tussen twee raakvlakken“, Appl. Branding. Sc.i. 253, 7342-7352, (2007).

Copyright AZoNano.com, Professor Sharmila M. Mukhopadhyay (de Universiteit van Wright)

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

Last Update: 13. June 2013 23:06

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit