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Nanoscale 多功能材料: 本質啟發了分層結構結構

Sharmila M. Mukhopadhyay中心懷特州立大學主任, Nanoscale 多功能材料教授
對應的作者: smukhopa@wright.edu

簡介

高效和典雅的多功能材料最大的種類在自然生物系統被看到,在傳統人造材料簡單的幾何形狀非常很少發生。 对在表面界面涉及的進程介入的生物材料,介入血絲、枝狀突起、頭髮或者支持公用幾何更大的基體像飛翅的附件。 合併在介入表面敏感功能例如感覺,反應性、電荷存儲,熱量/電子運輸或者重點調用的設計和生產的相似的階式結構多功能合成材料可能是有利的。

如果一个是創建的這樣結構選擇一種基本材料,或許石墨的碳將是最多才多藝的。 sp2 碳六角頁可能有史無前例的機械力量、電子和導熱性在飛機內,但是更弱的債券力量和傳導性正常對飛機。 所以, graphene 基於固體屬性可能由六角飛機的相對取向在整體固體的經常指明。

在多種基於字母的結構中,碳 nanotubes (CNT) 可以是 biomimetic 階式結構的適當的構件,由於他們的幾何和維數。 而且,有在這個文件的合理的證據1,2 許多他們的電子,熱量,機械和磁性可以被剪裁,雖然控制半徑、 chirality,螺旋性和堆積那可能,反過來,是受控的通過過程參數。

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重大成就在 Mukhopadhyay 博士的實驗室處理製造和瞭解介入多倍字長的縮放比例和功能的材料。 此覆核將著重在更大的石墨的固體附有的碳 nanotubes,可能從簡單的平面的石墨範圍到複雜蜂窩電話起泡沫開放被互聯多孔性。

多孔蜂窩電話結構可能正常運行像提供顯著更高的表面的輕量級固體被比較變緊密部分。 根據什麼在他們的表面附有,或者什麼矩陣在他們被滲入,這些核心結構在各種各樣表面活性的要素或淨額形狀綜合可以被構想。 如果 nanotubes 在毛孔可以附有,在這個被測量的空間內的表面可以被增加,從而增加所有期望表面功能的有力幾個數量級3

此概念也許聽起來直接,但是直到非常最近,沒有創建的嚴格附上 nanotubes 被設立的方法在參差不齊的多孔材料。 在此組的新發展使此成為可能,由於在微波等離子可以3-5 被創建易反應的氧化物的前體納諾層。 這打開採取功能材料所有形狀和範圍和附有在他們的 nanotubes 的可能性被添加的表面功能的。 圖 1 顯示在多孔石墨的泡沫附有的 CNT 的圖像獲得由此進程。

在微細胞的泡沫的圖 1. 附有創建的分層結構多孔碳 nanotubes。 在多種放大的圖像: (a) 50X (b) 500X (c) 20,000 X 和 (d) 150,000 X。

當此種泡沫核心滲入與一份基體材料例如環氧時,這個超額界面積導致在層間的力量的顯著地增加在二個階段之間。 圖 2 顯示在泡沫環氧綜合的機械檢驗結果創建有和沒有 CNT 附件。 正常泡沫形成在壓縮打碎的易碎的綜合,但是 CNT 附屬的泡沫表單允許廣泛的塑料變形的柔軟綜合。 這些泡沫材料現在被測試作為可能的腳手架為生物醫學的綜合。

圖 2. 泡沫環氧綜合標本壓縮測試: 比較起泡沫有和沒有 CNT 附件。 (a) 應力密謀, (b) 未經治療的泡沫環氧綜合的照片,在測試 (易碎的綜合容易地被擊碎) 後, (b) 綜合的照片用 CNT 附屬的泡沫做在測試以後 (顯著扭屈,无需破裂) 的更加堅韌的綜合。 所有測試抽樣有開始維數 6X6X6 mm 多維數據集。

圖 3 顯示在他們開化的骨細胞。 圖像分析和生物檢驗表明 CNT 附件導致高密度被改進生物功能的骨細胞。 因為石墨非常生物適合,分層結構蜂窩電話綜合的這些類型可能是將來的生物醫學的植入管的有為的候選人。

在泡沫的圖 3. 被開化的骨細胞: (a) 顯示細胞的電子顯微鏡圖像在碳弄髒圖像的泡沫 (b) 細胞很好增長顯示中堅力量 (藍色) 和細胞質 (粉紅色) 的詳細資料。

除與基體材料的綜合形成之外,這些結構表面可以 functionalized 如需要為電化學和其他表面敏感的應用。 圖 4 顯示在 CNT 附屬的結構附有的 Pd nanoparticles 造成與格外高電化學活動的一種微型固體。 這些結構為氫存貯和水淨化當前被測試。

在 CNT 泡沫材料的圖 4. 附屬的鈀納諾微粒圖 1。 此結構顯示格外高催化作用,并且有許多潛在的應用。

總之,自然總是使用階式結構例如血絲和枝狀突起增加表面和生存設備的涉及的功能。 物質科學家開始使用此概念和創建 nanotubes 可以附有更大的表面和隨後 functionalized 的結構。 此條款提及可以由此技術提高材料和設備仅的小的抽樣。 原則上,許多應用可以被構想和被創建。 因為新的結構開發,表面敏感的設備一個新一輪與感覺,催化,照片voltaics,細胞腳手架關連,并且儲氣應用一定按照。


參考

1. 彼得 J.F. 哈里斯, 「碳 Nanotube 科學: 綜合、屬性和應用」,劍橋大學出版社, (2009)。
2. M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, Phaedon Avouris, 「碳 Nanotubes : 綜合、結構、屬性和應用」,蹦跳的人, (2001)。
3. S.M. Mukhopadhyay, A. Karumuri 和 I.T. Barney, 「由 nanotube 的分層結構 nanostructures 嫁接在多孔蜂窩電話表面」, J. Phys。 D : Appl. Phys。 42, 195503, (2009)。
4. R.V. Pulikollu, S.R. Higgins, S.M. Mukhopadhyay, 「nanoscale 氧化物塗層的模型生核和增長研究適用於微細胞和納諾構建的碳的修改」。 海浪。 外套。 Technol。, 203, 65-72, (2008)。
5. R.V. Pulikollu 和 S.M. Mukhopadhyay, 「界面的債券和 nanotube 增長控制的 Nanoscale 塗層」, Appl。 海浪。 Sci。 253, 7342-7352, (2007)。

版權 AZoNano.com, Sharmila M. Mukhopadhyay (懷特大學) 教授

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

Last Update: 13. June 2013 23:02

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