الجاف للملابس الأكسدة وفراغ التليين العلاجات للموالفة على خصائص ترطيب من صفائف الأنابيب الجزيئية الكربون
Summary
توضح هذه المقالة طريقة بسيطة لصنع محاذاة عموديا صفائف أنابيب الكربون من الأمراض القلبية الوعائية وتصل قيمتها لاحقا خصائص ترطيب من خلال تعريضهم لفراغ الصلب أو جافة علاج الأكسدة.
Abstract
في هذه المقالة، ونحن تصف طريقة بسيطة لتصل قيمتها عكسية خصائص ترطيب من أنابيب الكربون محاذاة عموديا (CNT) صفائف. هنا، يتم تعريف صفائف CNT كما معبأة كثيفة الأنابيب النانوية الكربون موضوع متعدد المسورة عمودي الموجهة نحو إلى الركيزة النمو ونتيجة لذلك لأحد عملية النمو من قبل القياسية الحرارية الكيميائية بخار ترسب (CVD) تقنية. 1،2 وهذه صفائف CNT ويتعرض بعد ذلك إلى فراغ التلدين العلاج لجعلها أكثر مسعور أو لتجف العلاج الأكسدة لتقديم لهم المزيد من محبة للماء. يمكن أن تحول على مسعور صفائف CNT محبة للماء من خلال تعريض لهم لتجف العلاج الأكسدة، في حين يمكن أن تحول على محبة للماء صفائف CNT مسعور من خلال تعريض لهم لفراغ التلدين العلاج. باستخدام مزيج من على حد سواء العلاجات، وويمكن صفائف CNT تحولت مرارا وتكرارا ما بين 2. محبة للماء ومسعور ولذلك، الجمع بين مثل هذه تظهر المواد ذات القدرة العالية جدا في العديد من تطبيقات الصناعية والاستهلاكية،بما في ذلك نظام طريقة الشحن و الدفع المخدرات وعالية المكثفات الفائقة الكثافة السلطة. 3-5
على مفتاح إلى وقد تختلف تلك الرسوم على wettability من صفائف CNT هو السيطرة على تركيز سطح من adsorbates والأوكسجين. يمكن أن في الأساس يتم أدخلت adsorbates والأكسجين من خلال تعريض صفائف CNT إلى أي علاج الأكسدة. هنا ونحن استخدام العلاجات الأكسدة الجاف للملابس، مثل البلازما الأكسجين وUV / الأوزون، إلى functionalize السطح من CNT مع المجموعات الوظيفية اكسيجينية. هذه المجموعات اكسيجينية وظيفية تسمح السندات الهيدروجين بين سطح من CNT والجزيئات الماء لتكوين، مما يجعل CNT محبة للماء. لتحويل لهم مسعور يجب أن، ستتم إزالة الأكسجين كثف من على سطح الأرض من CNT. هنا ونحن توظيف العلاج فراغ التلدين للحث على الأكسجين عملية الامتزاز. صفائف CNT مع تركيز سطح منخفضة للغاية من adsorbates والأكسجين المعرض مجموعة السلوك superhydrophobic.
Introduction
على مقدمة من المواد الاصطناعية مع خصائص ترطيب الانضباطي وقد مكن العديد من التطبيقات بما في ذلك التنظيف الذاتي الأسطح والهيدروديناميكية الأجهزة الحد من السحب. 6،7 العديد من دراسات نشرت إظهار أن لتصل قيمتها بنجاح خصائص ترطيب من مادة، للمرء أن يكون لتكون قادرة على وقد تختلف تلك الرسوم والخمسين ويمكن الكيمياء السطحية والطبوغرافية خشونة السطح. 8-11 ومن بين المواد المتاحة العديد من غيرها من الاصطناعية، والمواد ذات البنية النانومترية وقد اجتذبت معظم من الاهتمام الواجب لالخاصة بهم المتأصلة خشونة السطح موضوع متعدد المحجمة والسطوح الخاصة بهم functionalized بسهولة من قبل الطرق الشائعة. عدة أمثلة من هذه المواد ذات البنية النانومترية وتشمل أكسيد الزنك، 12،13 ثنائي أكسيد السيليكون SiO 2، ITO 12،14 و 12 و الأنابيب النانوية الكربون (CNT). 15-17 ونحن نعتقد أن القدرة على تصل قيمتها عكسية خصائص ترطيب من CNT لديه الفضيلة خاصة بها منذ أنهم وتعتبر باعتبارها واحدة من أكثر المواد واعدة للالتطبيقات المستقبلستعقد.
يمكن أن تحول CNT محبة للماء من قبل functionalizing السطوح الخاصة بهم مع المجموعات الوظيفية اكسيجينية، أدخلت خلال عملية العلاج الأكسدة. حتى هذا التاريخ، وطريقة الأكثر شيوعا أن أعرض عن adsorbates والأكسجين إلى CNT هو البئر-المعروفة تقنيات الأكسدة الرطب، والتي تنطوي على استخدام من أحماض قوية .. ووكلاء المؤكسدة مثل هذه باسم حمض النيتريك وبيروكسيد الهيدروجين. 18-20 هذه التقنيات الأكسدة الرطب هي الصعب إلى يمكن تحجيمها ما يصل الى المستوى الصناعي لأن شؤون السلامة والقضايا البيئية، ومبلغ كبيرا من الوقت لإكمال عملية الأكسدة. في بالإضافة إلى ذلك، يجوز لأي التجفيف نقطة حرجة الأسلوب تحتاج إلى أن تستخدم لتقليل تأثير من القوات الشعرية التي قد تودي هيكل المجهرية والمحاذاة الشاملة من الصفيف CNT أثناء عملية التجفيف. العلاجات الأكسدة الجاف للملابس، مثل UV / الأوزون والعلاجات البلازما الأكسجين، ونقدم مجموعة عملية الأكسدة أكثر أمانا، بشكل أسرع، والخاضعة للرقابة أكثر مقارنة إلى المذكورة آنفاالعلاجات الأكسدة الرطب.
يمكن أن تكون مصنوعة CNT مسعور عن طريق إزالة المرفقة المجموعات الوظيفية اكسيجينية من السطوح الخاصة بهم. حتى الآن، وتشارك دائما العمليات تعقيدا في انتاج مسعور للغاية صفائف CNT. عادة ما، وهذه صفائف لديك لتطلى مع المنظمات غير ترطيب المواد الكيميائية، مثل PTFE، أكسيد الزنك، وfluoroalkylsilane، 15،21،22 أو أن تكون الهدوء الى من قبل الفلور أو المواد الهيدروكربونية العلاج البلازما، ومثل CF4 وCH 4. 16،23 على الرغم من أن العلاجات المشار إليها أعلاه هي ليس من الصعب جدا إلى يمكن تحجيمها ما يصل الى المستوى الصناعي، فهي ليست قابل للعكس. مرة واحدة يتعرض لها CNT إلى هذه العلاجات يمكن أن، لم يعد من الممكن المقدمة محبة للماء من قبل باستخدام أساليب أكسدة مشتركة.
الأساليب المقدمة في هذه الوثيقة إظهار أن يمكن ضبطها على wettability من صفائف CNT بشكل مباشر ومريح عبر مراسل مزيج من الأكسدة الجافة وفراغ العلاجات التلدين (الشكل 1). الأكسجين أdsorption والامتزاز العمليات التي يسببها من قبل هذه العلاجات قابلة للعكس للغاية لأن من طبيعة غير مدمرة الخاصة بهم وعدم وجود من غيرها من الشوائب. بالتالي، هذه العلاجات تسمح إلى يتم صفائف CNT تحولت مرارا وتكرارا بين محبة للماء ومسعور. مزيد من، هذه العلاجات هي عملية للغاية، واقتصادا،، ويمكن أن يمكن تحجيمها بسهولة ما يصل منذ لا يمكن أن يؤديها أنهم باستخدام أي الفرن فراغ التجارية وUV / الأوزون أو الأكسجين أنظف البلازما.
ملاحظة أن وتزرع على محاذاة عموديا صفائف CNT المستخدمة هنا من قبل القياسية الحرارية تقنية بخار الكيميائية (CVD) ترسب. وتزرع عادة ما تكون هذه صفائف على المغلفة محفز ركائز رقاقة السيليكون في فرن أنبوب الكوارتز تحت أ تدفق من الكربون التي تحتوي على الغازات السلائف في درجة حرارة مرتفعة. يمكن أن تختلف مع تحديد متوسط مدة من صفائف من أ ميكرومتر عدد قليل إلى أحد طويلة ملليمتر عن طريق تغيير الوقت النمو.
Protocol
Representative Results
Discussion
نعتبر UV / العلاج بالأوزون وتقنية الأكسدة الأكثر ملاءمة لأنه لا يمكن أن يؤديها في الهواء عند درجة حرارة الغرفة العادية والضغط لمدة تصل إلى عدة ساعات، اعتمادا على طول الصفيف CNT وقوة الأشعة فوق البنفسجية. الأشعة فوق البنفسجية، التي تم إنشاؤها بواسطة مصباح كثافة عالية بخ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل من قبل مؤسسة Charyk وجونز مؤسسة فليتشر تحت رقم منحة 9900600. الكتاب الامتنان على علم النانو كافلي معهد في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا لاستخدام أدوات nanofabrication، وللبحوث المواد الجزيئية مركز معهد بيكمان في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا لاستخدام XPS والاتصال مقياس الزوايا زاوية، وشعبة الجيولوجية والكواكب علوم في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا لاستخدام SEM.
Materials
| Material Name | Company | Catalogue Number | Comments (optional) |
| Lindberg Blue M Mini-Mite tube furnace | Thermo Scientific | TF55030A | 1″ tube furnace for CNT array growth |
| Electronic mass flow controllers | MKS | PFC-50 πMFC | Max flow rate of 1000 sccm |
| Electronic pressure controller | MKS | PC-90 πPC | Max pressure of 1000 Torr |
| 1″ quartz tube | MTI Corp. | >EQ-QZTube-25GE-610 | 1″ D x 24″ L |
| Hydrogen gas | Airgas | HY UHP200 | CNT array growth precursor gas, 99.999% purity |
| Ethylene gas | Matheson | G2250101 | CNT array growth precursor gas, 99.999% purity |
| Argon gas | Airgas | AR UHP200 | CNT array growth precursor gas, 99.999% purity |
| Silicon wafer | El-Cat | 2449 | With 300 nm polished thermal oxide layer |
| Iron pellets | Kurt J Lesker | EVMFE35EXEA | 99.95% purity |
| Aluminum oxide pellets | Kurt J Lesker | EVMALO-1220B | 99.99% purity |
| E-beam evaporator | CHA Industries | CHA Mark 40 | For buffer and catalyst layer deposition |
| UV/ozone cleaner | BioForce Nanosciences | ProCleaner Plus | For oxidizing CNT array |
| Oxygen plasma cleaner | PVA TePla | M4L | For oxidizing CNT array |
| Vacuum oven | VWR | 97027-664 | For deoxidizing CNT array |
| SEM | Zeiss | 1550 VP | For CNT array growth characterization |
| XPS | Surface Science | M-Probe | For surface chemistry characterization |
| Contact angle goniometer | ramé-hart | Model 190 | For wetting properties characterization |
References
- Sansom, E., Rinderknecht, D., Gharib, M. Controlled partial embedding of carbon nanotubes within flexible transparent layers. Nanotechnology. 19, 035302 (2008).
- Aria, A. I., Gharib, M. Reversible Tuning of the Wettability of Carbon Nanotube Arrays: The Effect of Ultraviolet/Ozone and Vacuum Pyrolysis Treatments. Langmuir. 27, 9005-9011 (2011).
- Lee, S. W., et al. High-power lithium batteries from functionalized carbon-nanotube electrodes. Nat. Nano. 5, 531-537 (2010).
- Aria, A. I., Gharib, M. Effect of Dry Oxidation on the Performance of Carbon Nanotube Arrays Electrochemical Capacitors. MRS Proceedings. 1407, (2012).
- Bianco, A., Kostarelos, K., Prato, M. Applications of carbon nanotubes in drug delivery. Current Opinion in Chemical Biology. 9, 674-679 (2005).
- Scardino, A. J., Zhang, H., Cookson, D. J., Lamb, R. N., Nys, R. d. The role of nano-roughness in antifouling. Biofouling: The Journal of Bioadhesion and Biofilm Research. 25, 757-767 (2009).
- Rothstein, J. Slip on Superhydrophobic Surfaces. Annual Review of Fluid Mechanics. 42, 89-109 (2010).
- Emsley, J. Very strong hydrogen-bonding. Chemical Society Reviews. 9, 91-124 (1980).
- Bhushan, B., Jung, Y., Koch, K. Micro- nano- and hierarchical structures for superhydrophobicity, self-cleaning and low adhesion. Philosophical Transactions – Royal Society. Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 367, 1631-1672 (2009).
- Krupenkin, T., Taylor, J., Schneider, T., Yang, S. From rolling ball to complete wetting: The dynamic tuning of liquids on nanostructured surfaces. Langmuir. 20, 3824-3827 (2004).
- Sun, T., et al. Control over the Wettability of an Aligned Carbon Nanotube Film. Journal of the American Chemical Society. 125, 14996-14997 (2003).
- Ebert, D., Bhushan, B. Transparent, Superhydrophobic, and Wear-Resistant Coatings on Glass and Polymer Substrates Using SiO2, ZnO, and ITO Nanoparticles. Langmuir. 28, 11391-11399 (2012).
- Feng, X., et al. Reversible Super-hydrophobicity to Super-hydrophilicity Transition of Aligned ZnO Nanorod Films. Journal of the American Chemical Society. 126, 62-63 (2003).
- Xu, L., Karunakaran, R. G., Guo, J., Yang, S. Transparent, Superhydrophobic Surfaces from One-Step Spin Coating of Hydrophobic Nanoparticles. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4, 1118 (2012).
- Lau, K., et al. Superhydrophobic carbon nanotube forests. Nano Letters. 3, 1701-1705 (2003).
- Hong, Y., Uhm, H. Superhydrophobicity of a material made from multiwalled carbon nanotubes. Applied Physics Letters. 88, 244101 (2006).
- Lee, C. H., Johnson, N., Drelich, J., Yap, Y. K. The performance of superhydrophobic and superoleophilic carbon nanotube meshes in water-oil filtration. Carbon. 49, 669-676 (2011).
- Hummers, W. S., Offeman, R. E. Preparation of Graphitic Oxide. Journal of the American Chemical Society. 80, 1339 (1958).
- Park, S., Ruoff, R. Chemical methods for the production of graphenes. Nature Nanotechnology. 4, 217-224 (2009).
- Peng, Y., Liu, H. Effects of Oxidation by Hydrogen Peroxide on the Structures of Multiwalled Carbon Nanotubes. Industrial & Engineering Chemistry Research. 45, 6483-6488 (2006).
- Huang, L., et al. Stable superhydrophobic surface via carbon nanotubes coated with a ZnO thin film. The Journal of Physical Chemistry. B. 109, 7746-7748 (2005).
- Feng, L., et al. Super-Hydrophobic Surfaces: From Natural to Artificial. Advanced Materials. 14, 1857-1860 (2002).
- Cho, S., Hong, Y., Uhm, H. Hydrophobic coating of carbon nanotubes by CH4 glow plasma at low pressure, and their resulting wettability. Journal of Materials Chemistry. 17, 232-237 (2007).
- Stalder, A., Kulik, G., Sage, D., Barbieri, L., Hoffmann, P. A snake-based approach to accurate determination of both contact points and contact angles. Colloids and Surfaces. A, Physicochemical and Engineering Aspects. , 286-2892 (2006).
- Naseh, M. V., et al. Fast and clean functionalization of carbon nanotubes by dielectric barrier discharge plasma in air compared to acid treatment. Carbon. 48, 1369-1379 (2010).
- Mawhinney, D. Infrared spectral evidence for the etching of carbon nanotubes: Ozone oxidation at 298 K. Journal of the American Chemical Society. 122, 2383-2384 (2000).
- Sham, M., Kim, J. Surface functionalities of multi-wall carbon nanotubes after UV/Ozone and TETA treatments. Carbon. 44, 768-777 (2006).
- Banerjee, S., Wong, S. Rational sidewall functionalization and purification of single-walled carbon nanotubes by solution-phase ozonolysis. The Journal of Physical Chemistry. B. 106, 12144-12151 (2002).
- Xu, T., Yang, J., Liu, J., Fu, Q. Surface modification of multi-walled carbon nanotubes by O2 plasma. Applied Surface Science. 253, 8945-8951 (2007).
- Felten, A., Bittencourt, C., Pireaux, J. J., Van Lier, G., Charlier, J. C. Radio-frequency plasma functionalization of carbon nanotubes surface O2, NH3, and CF4 treatments. Journal of Applied Physics. 98, 074308 (2005).
- Chen, C., Liang, B., Ogino, A., Wang, X., Nagatsu, M. Oxygen Functionalization of Multiwall Carbon Nanotubes by Microwave-Excited Surface-Wave Plasma Treatment. The Journal of Physical Chemistry C. 113, 7659-7665 (2009).
