Materiais Multifuncionais de Nanoscale: A Natureza Inspirou Arquiteturas Hierárquicas

Professor Sharmila M. Mukhopadhyay, Director, Centro para Materiais Multifuncionais de Nanoscale, Universidade Estadual de Wright,
Autor Correspondente: smukhopa@wright.edu

Introdução

A variedade a maior de materiais multifuncionais eficientes e elegantes é considerada nos sistemas biológicos naturais, que ocorrem muito raramente nas formas geométricas simples de materiais sintéticos tradicionais. Para os matérias biológicos envolvidos em processos relativos superfície-relação, as geometria comuns envolvem capilares, dendrites, cabelo, ou aleta-como os acessórios apoiados em carcaças maiores. Pode ser benéfico incorporar estruturas hierárquicas similares no projecto e na fabricação dos materiais sintéticos multifuncionais que envolvem as funções sensíveis de superfície tais como a detecção, a reactividade, o transporte do armazenamento da carga, a térmica/a elétrica ou transferência do esforço.

Se um era seleccionar uma matéria-prima para criar tais estruturas, o carbono graphitic talvez será o mais versátil. As folhas Sextavadas do carbono sp2 podem ter força mecânica inaudita, a condutibilidade elétrica e térmica dentro do plano, mas uma ligação-força mais fraca e as condutibilidades normais aos planos. Conseqüentemente, as propriedades de sólidos baseados graphene podem frequentemente ser ditadas pela orientação relativa dos planos sextavados no sólido total.

Entre várias estruturas grafema-baseadas, os nanotubes do carbono (CNT) podem ser blocos de apartamentos apropriados para as estruturas hierárquicas biomimetic, devido a suas geometria e dimensões. Além Disso, há uma evidência razoável na literatura1,2 que muitas de suas propriedades elétricas, térmicas, mecânicas e magnéticas podem ser costuradas embora o controle do raio, do chirality, do helicity, e de empilhar isso pode, por sua vez, ser controlado com os parâmetros de processo.

Avanços Recentes

O esforço Significativo está sendo dirigido no laboratório do Dr. Mukhopadhyay fabricar e compreender os materiais que envolvem escalas múltiplas e funcionalidades do comprimento. Esta revisão centrar-se-á sobre os nanotubes do carbono anexados nos sólidos graphitic maiores, que podem variar da grafite lisa simples a celular complexo espumam aberto-interconectando a porosidade.

As estruturas celulares Porosas podem comportar-se como os sólidos de pouco peso que fornecem uma área de superfície significativamente mais alta comparada para comprimir. Segundo o que são anexados em suas superfícies, ou o que matriz é infiltrada neles, estas estruturas do núcleo podem ser previstas em uma grande variedade de superfície - componentes activos ou compostos da rede-forma. Se os nanotubes podem ser anexados nos poros, a área de superfície dentro do espaço dado pode ser aumentada por diversos ordens de grandeza, aumentando desse modo a potência de toda a funcionalidade de superfície desejada3.

Este conceito pode soar directo, mas até muito recentemente, não havia nenhum procedimento estabelecido para criar nanotubes fortemente anexados em materiais porosos desiguais. As revelações Recentes neste grupo tornaram esta possível, agradecimentos a uma nano-camada do precursor de óxido reactivo3-5 que pudesse ser criada no plasma da microonda. Isto abre a possibilidade de tomar um material funcional de toda a forma e tamanho, e de anexar nanotubes neles para a funcionalidade de superfície adicionada. Figura 1 mostra as imagens de CNT anexadas na espuma graphitic porosa obtida por este processo.

Figura 1. carbono poroso Hierárquico criado anexando nanotubes na espuma microcellular. Imagens em várias ampliações: (a) 50X (b) 500X (c) 20.000 X e (d) 150.000 X.

Quando este tipo de núcleo da espuma é infiltrado com um material de matriz tal como a cola Epoxy, a área interfacial adicional causa o aumento significativo na força interlaminar entre as duas fases. Figura 2 mostra resultados da análise mecânicos nos compostos da espuma-cola Epoxy criados com e sem o acessório de CNT. A espuma do regular forma um composto frágil que se quebre na compressão, mas os formulários CNT-anexados da espuma um composto dútile que permita a deformação plástica extensiva. Estes materiais da espuma estão sendo testados agora como o andaime possível para compostos biomedicáveis.

Figura 2. teste da Compressão de espécimes compostos da espuma-cola Epoxy: a comparação de espuma com e sem o acessório de CNT. (a) a esforço-tensão traça, (b) fotografia de composto não tratado da espuma-cola Epoxy depois que testando (o composto frágil é esmagado facilmente), (b) a fotografia do composto fez com espuma CNT-anexada após o teste (o composto significativamente mais resistente que se deforma sem fraturar). Todo O teste prova teve começar dimensões do cubo de 6X6X6 milímetro.

Figura 3 mostra as pilhas do osso cultivadas nelas. As análises de Imagem e os ensaios biológicos indicam que o acessório de CNT conduz a uma densidade mais alta das pilhas de osso que melhoram a função biológica. Desde Que a grafite é muito biocompatible, estes tipos de compostos celulares hierárquicos podem ser candidatos prometedores para os implantes biomedicáveis futuros.

Figura 3. pilhas do Osso cultivadas na espuma: (a) As imagens do Microscópio de Elétron que mostram pilhas crescem bem na Pilha da espuma do carbono (b) que mancha as imagens que mostram detalhes dos núcleos (azuis) e de Citoplasma (rosa).

Além do que a formação composta com materiais de matriz, as superfícies destas estruturas podem ser functionalized como necessários para aplicações electroquímicas e outras superfície-sensíveis. Figura 4 mostra os nanoparticles do Paládio anexados em estruturas CNT-anexadas tendo por resultado um sólido diminuto com actividade electroquímica excepcionalmente alta. Estas estruturas estão sendo testadas actualmente para o armazenamento do hidrogênio e a purificação de água.

Figura 4. nano-partículas do Paládio anexadas no material da CNT-espuma de Figura 1. Esta estrutura mostra a actividade catalítica excepcionalmente alta, e tem muitas aplicações potenciais.

Em resumo, a Mãe Natureza usou sempre estruturas hierárquicas tais como capilares e dendrites para aumentar a área de superfície e a funcionalidade relativa de dispositivos vivos. Os cientistas Materiais apenas estão começando a usar este conceito e a criar as estruturas onde os nanotubes podem ser anexados às superfícies maiores e subseqüentemente ser functionalized. Este artigo menciona somente uma amostra pequena dos materiais e dos dispositivos que podem ser aumentados por esta técnica. Em princípio, muito mais aplicações podem ser previstas e criado. Porque as arquiteturas novas se tornam, uma nova onda de dispositivos superfície-sensíveis relacionou-se à detecção, catálise, foto-voltaics, andaime da pilha, e as aplicações do armazenamento de gás são limitadas para seguir.


Referências

1. Peter J.F. Harris, do “Ciência de Nanotube Carbono: Síntese, Propriedades e Aplicações”, Imprensa da Universidade de Cambridge, (2009).
2. M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, Phaedon Avouris, “Carbono Nanotubes: Síntese, Estrutura, Propriedades e Aplicações”, Springer, (2001).
3. S.M. Mukhopadhyay, A. Karumuri e I.T. Discussão, “nanostructures Hierárquicos pelo nanotube transplantando em superfícies celulares porosas”, J. Phys. D: Appl. Phys. 42, 195503, (2009).
4. R.V. Pulikollu, S.R. Higgins, S.M. Mukhopadhyay, “estudos Modelo da nucleação e do crescimento dos revestimentos do óxido do nanoscale apropriados para a alteração do carbono microcellular e nano-estruturado.” Ressaca. Revestimento. Technol., 203, 65-72, (2008).
5. R.V. Pulikollu e S.M. Mukhopadhyay, de “revestimentos Nanoscale para o controle de ligações e do crescimento interfacial do nanotube”, Appl. Ressaca. Sci. 253, 7342-7352, (2007).

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

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

Last Update: 14. June 2013 01:48

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