Nanoscale 多功能材料: 本质启发了分层结构结构

Sharmila M. Mukhopadhyay中心怀特州立大学主任, Nanoscale 多功能材料教授
对应的作者: smukhopa@wright.edu

简介

高效和典雅的多功能材料最大的种类在自然生物系统被看到,在传统人造材料简单的几何形状非常很少发生。 对在表面界面涉及的进程介入的生物材料,介入血丝、枝状突起、头发或者支持公用几何更大的基体象飞翅的附件。 合并在介入表面敏感功能例如感觉,反应性、电荷存储,热量/电子运输或者重点调用的设计和生产的相似的阶式结构多功能合成材料可能是有利的。

如果一个是创建的这样结构选择一种基本材料,或许石墨的碳将是最多才多艺的。 sp2 碳六角页可能有史无前例的机械力量、电子和导热性在飞机内,但是更弱的债券力量和传导性正常对飞机。 所以, graphene 基于固体属性可能由六角飞机的相对取向在整体固体的经常指明。

在多种基于字母的结构中,碳 nanotubes (CNT) 可以是 biomimetic 阶式结构的适当的构件,由于他们的几何和维数。 而且,有在这个文件的合理的证据1,2 许多他们的电子,热量,机械和磁性可以被剪裁,虽然控制半径、 chirality,螺旋性和堆积那可能,反过来,是受控的通过过程参数。

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重大成就在 Mukhopadhyay 博士的实验室处理制造和了解介入多倍字长的缩放比例和功能的材料。 此复核将着重在更大的石墨的固体附有的碳 nanotubes,可能从简单的平面的石墨范围到复杂蜂窝电话起泡沫开放被互联多孔性。

多孔蜂窝电话结构可能正常运行象提供显着更高的表面的轻量级固体被比较变紧密部分。 根据什么在他们的表面附有,或者什么矩阵在他们被渗入,这些核心结构在各种各样表面活性的要素或净额形状综合可以被构想。 如果 nanotubes 在毛孔可以附有,在这个被测量的空间内的表面可以被增加,从而增加所有期望表面功能的有力几个数量级3

此概念也许听起来直接,但是直到非常最近,没有创建的严格附上 nanotubes 被设立的方法在参差不齐的多孔材料。 在此组的新发展使此成为可能,由于在微波等离子可以3-5 被创建易反应的氧化物的前体纳诺层。 这打开采取功能材料所有形状和范围和附有在他们的 nanotubes 的可能性被添加的表面功能的。 图 1 显示在多孔石墨的泡沫附有的 CNT 的图象获得由此进程。

在微细胞的泡沫的图 1. 附有创建的分层结构多孔碳 nanotubes。 在多种放大的图象: (a) 50X (b) 500X (c) 20,000 X 和 (d) 150,000 X。

当此种泡沫核心渗入与一份基体材料例如环氧时,这个超额界面积导致在层间的力量的显著地增加在二个阶段之间。 图 2 显示在泡沫环氧综合的机械检验结果创建有和没有 CNT 附件。 正常泡沫形成在压缩打碎的易碎的综合,但是 CNT 附属的泡沫表单允许广泛的塑料变形的柔软综合。 这些泡沫材料现在被测试作为可能的脚手架为生物医学的综合。

图 2. 泡沫环氧综合标本压缩测试: 比较起泡沫有和没有 CNT 附件。 (a) 应力密谋, (b) 未经治疗的泡沫环氧综合的照片,在测试 (易碎的综合容易地被击碎) 后, (b) 综合的照片用 CNT 附属的泡沫做在测试以后 (显着扭屈,无需破裂) 的更加坚韧的综合。 所有测试抽样有开始维数 6X6X6 mm 多维数据集。

图 3 显示在他们开化的骨细胞。 图象分析和生物检验表明 CNT 附件导致高密度被改进生物功能的骨细胞。 因为石墨非常生物适合,分层结构蜂窝电话综合的这些类型可能是将来的生物医学的植入管的有为的候选人。

在泡沫的图 3. 被开化的骨细胞: (a) 显示细胞的电子显微镜图象在碳弄脏图象的泡沫 (b) 细胞很好增长显示中坚力量 (蓝色) 和细胞质 (粉红色) 的详细资料。

除与基体材料的综合形成之外,这些结构表面可以 functionalized 如需要为电化学和其他表面敏感的应用。 图 4 显示在 CNT 附属的结构附有的 Pd nanoparticles 造成与格外高电化学活动的一种微型固体。 这些结构为氢存贮和水净化当前被测试。

在 CNT 泡沫材料的图 4. 附属的钯纳诺微粒图 1。 此结构显示格外高催化作用,并且有许多潜在的应用。

总之,自然总是使用阶式结构例如血丝和枝状突起增加表面和生存设备的涉及的功能。 物质科学家开始使用此概念和创建 nanotubes 可以附有更大的表面和随后 functionalized 的结构。 此条款提及可以由此技术提高材料和设备仅的小的抽样。 原则上,许多应用可以被构想和被创建。 因为新的结构开发,表面敏感的设备一个新一轮与感觉,催化,照片voltaics,细胞脚手架关连,并且储气应用一定按照。


参考

1. 彼得 J.F. 哈里斯, “碳 Nanotube 科学: 综合、属性和应用”,剑桥大学出版社, (2009)。
2. M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, Phaedon Avouris, “碳 Nanotubes : 综合、结构、属性和应用”,蹦跳的人, (2001)。
3. S.M. Mukhopadhyay, A. Karumuri 和 I.T. Barney, “由 nanotube 的分层结构 nanostructures 嫁接在多孔蜂窝电话表面”, J. Phys。 D : Appl. Phys。 42, 195503, (2009)。
4. R.V. Pulikollu, S.R. Higgins, S.M. Mukhopadhyay, “nanoscale 氧化物涂层的模型生核和增长研究适用于微细胞和纳诺构建的碳的修改”。 海浪。 外套。 Technol。, 203, 65-72, (2008)。
5. R.V. Pulikollu 和 S.M. Mukhopadhyay, “界面的债券和 nanotube 增长控制的 Nanoscale 涂层”, Appl。 海浪。 Sci。 253, 7342-7352, (2007)。

版权 AZoNano.com, Sharmila M. Mukhopadhyay (怀特大学) 教授

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

Last Update: 13. June 2013 22:59

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