تصنيع أنظمة الكربون الكهروميكانيكية الدقيقة ثلاثية الأبعاد (C-ميمس)

الكربون لديه العديد من ألوتروبيس و، اعتمادا على تطبيق معين، واحدة من ألوتروبيس التالية يمكن اختيار: أنابيب الكربون النانوية (نتس)، الجرافيت، الماس، الكربون غير متبلور، لونسديليت، باكمينستيرفوليرين (C ₆₀ )، فوليت (C ₅₄₀ )، فوليرين C ₇₀ )، والكربون الزجاجي ^{1 ، 2 ، 3 ، 4} . الكربون الزجاجي هو واحد من ألوتروبيس الأكثر استخداما على نطاق واسع بسبب خصائصه الفيزيائية، بما في ذلك الخواص عالية. كما أن لديها الخصائص التالية: الموصلية الكهربائية جيدة، وانخفاض معامل التمدد الحراري، وقابلية الغاز.

وقد كان هناك بحث مستمر عن المواد السليفة الغنية بالكربون للحصول على هياكل الكربون. هذه السلائف يمكن أن تكون مواد مصنوعة من صنع الإنسان أو المنتجات الطبيعية التي تتوفر في أشكال معينة، وحتى تشمل النفايات. مجموعة واسعة من ميكر يتم تشكيل النانو من خلال العمليات البيولوجية أو البيئية في الطبيعة، مما أدى إلى ميزات فريدة من نوعها التي يصعب للغاية لخلق باستخدام أدوات التصنيع التقليدية. وحيث أن الزخرفة جرت بشكل طبيعي في هذه الحالة، يمكن أن يتم تركيب المواد النانوية باستخدام السلائف الهيدروكربونية الطبيعية والنفايات باستخدام عملية سهلة وخطوة واحدة للتحلل الحراري في جو خامل أو فراغ، يسمى الانحلال الحراري ⁵ . وقد تم إنتاج جرافين عالي الجودة و نيتس أحادي الجدران و نتس متعدد الجدران ونقاط الكربون عن طريق التحلل الحراري أو الانحلال الحراري للسلائف والنباتات المشتقة من النباتات، بما في ذلك البذور والألياف والزيوت مثل زيت التربنتين وزيت السمسم ، زيت النيم ( أزاديراشتا إنديكا )، زيت الأوكالبتوس، زيت النخيل، وزيت الجاتروفا. كما تم استخدام منتجات الكافور ومقتطفات شجرة الشاي وأغذية النفايات والحشرات والنفايات الزراعية والمنتجات الغذائية ^{6 ، 7 ،}أس = "كريف"> 8 ^{، 9 في} الآونة الأخيرة، وقد استخدم الباحثون حتى شرانق الحرير كمادة أولية لإعداد ألياف الكربون التي يسهل اختراقها مسامية ¹⁰ . وقد استخدم هذا الفريق مؤخرا الشعر البشري، الذي يعتبر عادة مادة نفايات. وهي تتكون من حوالي 91٪ البولي ببتيدات، التي تحتوي على أكثر من 50٪ الكربون؛ والباقي عناصر مثل الأكسجين والهيدروجين والنيتروجين والكبريت ¹¹ . كما يأتي الشعر مع العديد من الخصائص المثيرة للاهتمام، مثل تدهور بطيء جدا، وقوة الشد العالية، والعزل الحراري العالي، واسترداد مرونة عالية. في الآونة الأخيرة، وقد تم استخدامه لإعداد رقائق الكربون المستخدمة في المكثفات الفائقة ¹² وخلق المجهرية الكربون جوفاء للاستشعار الكهروكيميائية ¹³ .

إن تصنيع مادة الكربون السائبة لتصنيع هياكل ثلاثية الأبعاد (3D) مهمة صعبة، حيث أن المادة شديدة الهشاشة. التركيز أيون يكونآم ^{14 ، 15} أو رد الفعل أيون النقش ¹⁶ قد تكون مفيدة في هذا السياق، لكنها عمليات مكلفة وتستغرق وقتا طويلا. نظام الكربون الكهروميكانيكية (C-ميمس) التكنولوجيا، والتي تقوم على الانحلال الحراري من الهياكل البوليمرية منقوشة، يمثل بديلا تنوعا. في العقدين الماضيين، تلقى C-ميمس وأنظمة الكربون نانويلترومشانيكال (C-نيمس) الكثير من الاهتمام بسبب خطوات تصنيع بسيطة وغير مكلفة المعنية. تتم عملية تصنيع C-ميمس التقليدية في خطوتين: (1) زخرفة سلائف البوليمر (على سبيل المثال، مقاوم للضوء) مع ضوئيه و (2) الانحلال الحراري للهياكل منقوشة. الأشعة فوق البنفسجية (أوف) السلائف البوليمر، مثل SU8 مقاومات الضوء، وغالبا ما تستخدم لنمط الهياكل على أساس الحجرية. بشكل عام، وتشمل عملية ضوئية خطوات لطلاء تدور، خبز لينة، التعرض للأشعة فوق البنفسجية، آخر خبز، و ديفlopment. في حالة C-ميمس. السيليكون. ثاني أكسيد السيليكون؛ نيتريد السيليكون. كوارتز؛ وفي الآونة الأخيرة، تم استخدام الياقوت كركائز. الهياكل الكربونية البوليمرية ذات نمط الصورة هي متفحمة عند درجة حرارة عالية (800-1100 درجة مئوية) في بيئة خالية من الأكسجين. في تلك درجات الحرارة المرتفعة في فراغ أو جو خامل، تتم إزالة جميع العناصر غير الكربون، وترك الكربون فقط. هذا الأسلوب يسمح لتحقيق عالية الجودة، والهياكل الكربون الزجاجية، والتي هي مفيدة جدا للعديد من التطبيقات، بما في ذلك الاستشعار الكهروكيميائية ¹⁷ ، تخزين الطاقة ¹⁸ ، تانويلكتريك نانوجينيراتيون ¹⁹ ، والتلاعب الجسيمات الكهرومغناطيسية ^20. أيضا، تلفيق المجهرية 3D مع ارتفاع نسب الجانب باستخدام C-ميمس أصبح من السهل نسبيا وأدى إلى مجموعة واسعة من التطبيقات أقطاب الكربون ^{18 ، 21 ،} </sup> ^{22 ، 23} ، وغالبا ما تحل محل الأقطاب المعدنية النبيلة.

في هذا العمل، وتطوير الأخيرة من طريقة بسيطة وفعالة من حيث التكلفة لتفريق مجهرية الكربون جوفاء من الشعر البشري باستخدام غير التقليدية C-ميمس التكنولوجيا ¹³ هو عرض. يتم وصف العملية التقليدية C8 ميمس القائم على البوليمر أيضا هنا. على وجه التحديد، يتم وصف الإجراء تلفيق للمواد الصلبة نسبة عالية ومنشآت SU8 أجوف ^24.