Droge Oxidatie-en Vacuüm Gloeien Behandelingen voor Stemmen van het Bevochtiging Eigenschappen van Carbon Nanotube Arrays
Summary
Dit artikel beschrijft een eenvoudige methode om verticaal uitgelijnd koolstof nanobuis-arrays fabriceren door CVD en om vervolgens hun bevochtiging eigenschappen af te stemmen door ze bloot te om te uitgloeien of droge oxidatie de behandeling stofzuigen.
Abstract
In dit artikel, beschrijven we een eenvoudige methode om reversibel af te stemmen de bevochtiging eigenschappen van verticaal uitgelijnd koolstof nanobuis (CNT) arrays. Hier, worden CNT arrays gedefinieerd als dichtgepakte multi-walled carbon nanotubes georiënteerd loodrecht op het groeisubstraat als gevolg van een groeiproces door de gewone thermische chemical vapor deposition (CVD) techniek. 1,2 Deze CNT arrays worden dan blootgesteld aan vacuum gloeibehandeling om ze meer hydrofobe of om oxidatiebehandeling drogen deze beter te hydrofiele. De hydrofobe CNT arrays kan worden gedraaid hydrofiele door hen blootstellen aan oxidatiebehandeling drogen, terwijl de hydrofiele CNT arrays kan worden gedraaid hydrofoob door hen blootstellen aan stofzuigen gloeibehandeling. Gebruikmakend van een combinatie van beide behandelingen, CNT arrays kan herhaaldelijk worden geschakeld tussen hydrofiele en hydrofobe. 2 Daarom, dergelijke combinatie laten een zeer hoge potentieel in vele industriële en consumententoepassingen,inbegrip van drug delivery-systeem en een hoge vermogensdichtheid supercondensatoren. drie-vijf
De sleutel om de bevochtigbaarheid van CNT arrays variëren is het beheersen de oppervlakteconcentratie van zuurstof adsorbaten. Principe zuurstof adsorbaten kan worden ingebracht door blootstelling van de CNT arrays eventuele oxidatiebehandeling. Hier gebruiken we droge oxidatie behandelingen, zoals zuurstof plasma en UV / ozon, bij het oppervlak van CNT functionaliseren met zuurstofrijk functionele groepen. Deze zuurstofhoudende functionele groepen toestaan waterstofbrug tussen de oppervlakte van CNT en watermoleculen aan vorm, waardoor de CNT hydrofiele. Om draai ze hydrofoob, moet geadsorbeerde zuurstof te worden verwijderd van het oppervlak van CNT. Hier we dienst vacuum gloeibehandeling om zuurstof desorptie proces induceren. CNT arrays met een extreem lage oppervlakte-concentratie van zuurstof adsorbaten vertonen een superhydrophobic gedrag.
Introduction
De introductie van synthetische materialen met afstelbare wetting eigenschappen er de vele toepassingen zoals zelfreinigende oppervlakken en hydrodynamische weerstandsvermindering apparaten ingeschakeld. 6,7 Veel gerapporteerde studies blijken dat zulks succes de wetting eigenschappen van een materiaal afstemmen, een moeten kunnen om haar variëren oppervlakte-chemie en topografische ruwheid van het oppervlak. acht-elf Onder de vele andere beschikbare synthetische materialen, nano-gestructureerde materialen hebben aangetrokken de meeste van de aandacht te wijten aan hun inherente multi-geschaald ruwheid van het oppervlak en hun oppervlakken kan gemakkelijk worden gefunctionaliseerd door gemeenschappelijke methoden. Verscheidene voorbeelden van deze nanogestructureerde materialen omvatten ZnO, 12,13 SiO 2, 12,14 ITO, 12 en carbon nanotubes (CNT). 15-17 Wij geloven dat de vermogen om reversibel tunen de bevochtigingseigenschappen van CNT haar eigen deugd heeft aangezien zij worden beschouwd als een van de meest veelbelovende materialen voor toekomstige implementatieties.
CNT kan worden gedraaid hydrofiele door functionaliseren hun oppervlakken met zuurstofrijk functionele groepen, introduceerde tijdens een oxidatiebehandeling. Om date, de meest voorkomende methode om zuurstof adsorbaten voorstellen aan de CNT is de bekende natte oxydatie technieken, die de uitschrijving van sterke zuren en oxidatiemiddelen zoals salpeterzuur en waterstof peroxide. 18-20 Deze natte oxidatietechnieken zijn moeilijk te worden opgeschaald up aan de industriële niveau, omdat van veiligheid en milieubescherming kwesties en de aanzienlijke hoeveelheid van tijd om het oxidatie proces te voltooien. In Daarnaast kan een kritisch punt droogmethode altijd nodig om om het effect van capillaire krachten die de microscopische opzet en algemene uitlijning van de CNT matrix tijdens het droogproces kunnen vernietigen minimaliseren. Dry oxidatie behandelingen, zoals UV / ozon en zuurstofplasma behandelingen, Stel een veiliger, sneller, en meer gecontroleerde oxidatie proces in vergelijking met voornoemdenatte oxidatie behandelingen.
CNT kan worden gemaakt hydrofoob door het verwijderen de bijgevoegde zuurstofhoudende functionele groepen uit hun oppervlakken. Tot nu toe, worden gecompliceerde processen altijd die betrokken zijn bij met vorming van zeer hydrofobe CNT arrays. Typically, deze arrays moet gecoat met non-wetting chemicaliën, zoals PTFE, ZnO, en fluoroalkylsilane, 15,21,22 of worden gepacificeerd door fluor of koolwaterstof plasma behandeling, zoals CF4 en CH 4. 16,23 Hoewel de bovengenoemde behandelingen zijn niet al te moeilijk te worden opgeschaald naar industrieel niveau, ze zijn niet omkeerbaar. Zodra de CNT worden blootgesteld aan deze behandelingen, kunnen ze niet langer rendered hydrofiel de gebruikelijke oxidatiemethoden.
De werkwijzen hierin gepresenteerde blijkt dat de bevochtigbaarheid van CNT arrays eenvoudig opgehelderd kunnen en handig worden afgestemd via een combinatie van droge oxidatie en vacuum uitgloeien behandelingen (figuur 1). Zuurstof eendsorption en desorptie processen geïnduceerd door deze behandelingen zijn zeer omkeerbaar vanwege hun niet-destructieve aard en het ontbreken van andere onzuiverheden. Vandaar, deze behandelingen toestaan CNT arrays herhaaldelijk worden geschakeld tussen hydrofiele en hydrofobe. Verdere, deze behandelingen zijn zeer praktische, economische, en kan gemakkelijk worden opgeschaald omdat het kan worden verricht met elke commerciële stofzuiger oven en UV / ozon of zuurstof plasma cleaner.
Merk op dat de verticaal uitgelijnde CNT arrays tweedehands here gegroeid worden door het standaard thermische chemical vapor deposition (CVD) techniek. Deze arrays worden typisch geteeld op katalysator coated silicium wafer substraten in een quartz buisoven onder een stroom koolstofhoudende precursor gassen bij een verhoogde temperatuur. De gemiddelde lengte van de arrays kan worden gevarieerd van enkele micrometers naar een millimeter lange door het veranderen de groeitijd.
Protocol
Representative Results
Discussion
Beschouwen we UV / ozonbehandeling als de meest handige oxidatietechniek omdat het kan worden uitgevoerd in lucht bij een standaard kamer temperatuur en druk voor tot enkele uur, afhankelijk de lengte van de CNT array en de macht van de UV straling. UV straling, gegenereerd door een hoge intensiteit kwikdamp lamp bij 185 nm en 254 nm, breekt de moleculaire obligaties op de buitenwand van CNT toestaan ozon, gelijktijdig omgezet uit lucht door UV straling, hun oppervlak oxideren. 26,27 Het oxidatieproces …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door The Charyk Foundation en The Fletcher Jones Foundation onder subsidie nummer 9900600. De auteurs dankbaar het Kavli Nanoscience Institute te erkennen aan het California Institute of Technology voor het gebruik van de nanofabricage instrumenten, de Moleculaire Materialen Research Center van het Beckman Institute aan het California Institute of Technology voor het gebruik van de XPS en neem contact op hoek goniometer, en de Division of Geologische en Planetaire Wetenschappen van de California Institute of Technology voor het gebruik van 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).
