Сухое Окисление и Вакуумные Отжиг Лечения для тюнинга Смачивающие Properties из Массивы Carbon Нанотрубок
Summary
В этой статье описывается простой метод для изготовления вертикально массивов углеродных нанотрубок по сердечно-сосудистых заболеваний и в дальнейшем настроить их свойства смачивания, подвергая их отжига в вакууме или сухой обработки окисления.
Abstract
В этой статье мы рассмотрим простой способ обратимо настроиться нанесению вертикально углеродных нанотрубок (УНТ) массивов. Здесь, CNT массивов определяется как плотно упакованные многослойные нанотрубки углерода ориентированы перпендикулярно к росту подложке в результате процесса роста стандартным тепловым химического осаждения из паровой фазы (CVD) техникой. 1,2 Эти CNT массивы затем подвергаются вакуумной отжига, чтобы сделать их более гидрофобных или сушить окисления лечения, чтобы сделать их более гидрофильными. Гидрофобные массивов УНТ может быть включен гидрофильные, подвергая их высушить окисления лечения, в то время как гидрофильные массивов УНТ может быть включен гидрофобной, подвергая их воздействию вакуумного отжига лечения. Используя сочетание обоих методов лечения, CNT массивы могут быть неоднократно переключаться между гидрофильные и гидрофобные. 2 Следовательно, такая комбинация показать очень высокий потенциал во многих промышленных и потребительских приложений,в том числе наркотики системы доставки и высокой плотностью мощности суперконденсаторов. 3-5
Ключ для изменения смачиваемости массивов УНТ является контроль поверхности концентрация кислорода адсорбатов. Основном кислорода адсорбатов может быть введена путем воздействия на УНТ массивов в любом окисления лечения. Здесь мы используем сухой лечения окисления, таких как плазма кислорода и УФ / озон, к функционализации поверхности УНТ с кислородом функциональных групп. Эти кислородом функциональных групп позволяют водородных связей между поверхностью УНТ и молекул воды в форме, оказание CNT гидрофильными. Чтобы превратить их гидрофобными, адсорбированного кислорода должна быть удалена от поверхности УНТ. Здесь мы используем вакуумные отжига, чтобы побудить процесс кислорода десорбции. CNT массивов с крайне низкой поверхностной концентрации кислорода адсорбатов проявляют супергидрофобных поведения.
Introduction
Введение синтетических материалов с перестраиваемого свойствами смачивания позволила многих приложений, включая самоочищающихся поверхностей и гидродинамических устройств снижения сопротивления. 6,7 Многие сообщали исследования показывают, что успешно настроить нанесению материала, одной должны быть в состоянии изменять ее Химия поверхности и топографических неровностей поверхности. 8-11 Среди многих других доступных синтетические материалы, наноструктурированные материалы, привлекли наибольшее внимание в связи с присущими им многогранная шероховатости поверхности и их поверхности могут быть легко функциональными обычными методами. Несколько примеров таких наноструктурированных материалов включают ZnO, 12,13 SiO 2, 12,14 ITO, 12 и углеродных нанотрубок (УНТ). 15-17 Мы считаем, что способность обратимо настроиться нанесению CNT имеет свою собственную силу, так как они считаются одним из самых перспективных материалов для будущих примененийных.
УНТ может быть включен гидрофильных по функционализации их поверхности с кислородом функциональных групп, введены в окислении лечения. На сегодняшний день, наиболее распространенным методом введения кислорода адсорбатов к УНТ является известным мокрых методов окисления, связанные с использованием сильными кислотами и окислителями, такими как азотная кислота и перекись водорода. 18-20 Эти мокрые методы окисления трудно быть расширена до промышленного уровня, поскольку безопасность и экологические проблемы и значительного количества времени для завершения процесса окисления. Кроме того, критический метод сушки точки, возможно, потребуется быть использованы для минимизации влияния капиллярных сил, которые могут уничтожить микроскопические структуры и общего выравнивания массива УНТ в процессе сушки. Сухой лечения окисления, таких как УФ / озон и лечения кислородной плазме, предлагают безопаснее, быстрее и более контролируемым процесс окисления по сравнению с вышеупомянутымивлажных процедур окисления.
УНТ могут быть сделаны гидрофобным путем удаления прилагается кислородсодержащих функциональных групп с их поверхности. До сих пор сложные процессы всегда участвует в производстве высоко гидрофобными CNT массивов. Как правило, эти массивы должны быть покрыты несмачивающей химических веществ, таких как PTFE, ZnO, и fluoroalkylsilane, 15,21,22 или успокоиться фтором или углеводородного плазменной обработки, такие как CF4 и CH 4. 16,23 Несмотря на то, вышеуказанные процедуры не слишком трудно быть расширена до промышленного уровня, они не являются обратимыми. После того, CNT подвергаются воздействию этих процедур, они больше не могут быть вынесено гидрофильные с помощью обычных методов окисления.
Методы, представленные здесь, показывают, что смачиваемость массивов УНТ могут быть настроены прямо и удобно через сочетание сухого окисления и отжига в вакууме лечения (рис. 1). Кислородdsorption и десорбции процессов, вызванных этими процедурами высокой обратимой, потому что их неразрушающий характер и отсутствие других примесей. Таким образом, эти процедуры позволяют CNT массивов, которые будут неоднократно переключаться между гидрофильные и гидрофобные. Кроме того, эти процедуры являются очень практично, экономично, и могут быть легко расширены, поскольку они могут быть выполнены с использованием любых коммерческих вакуумной печи и УФ / озон или чистого кислорода плазмы.
Обратите внимание, что вертикально CNT массивов, используемых здесь выросли на стандартный тепловой химического осаждения из паровой фазы (CVD) техникой. Эти массивы, как правило, выращенных на катализаторе покрытых кремниевой пластины подложки в кварцевой трубчатой печи в потоке углеродсодержащих предшественников газов при повышенных температурах. Средняя длина массива может варьироваться от нескольких микрометров до миллиметра в длину, изменив время роста.
Protocol
Representative Results
Discussion
Мы считаем, UV / озонирование как наиболее удобный окисления технику, поскольку она может быть выполнена в воздухе при стандартной комнатной температуре и давлении в течение нескольких часов, в зависимости от длины массива УНТ и мощности УФ излучения. УФ-излучение, порожденное высокой и…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана чарык фонда и Fletcher Jones Foundation в рамках гранта номер 9900600. Авторы выражают благодарность Кавли нанонауки института в Калифорнийском технологическом институте на использование наноматериалов инструментов, молекулярные исследования материалов Центра Института Бекмана в Калифорнийском технологическом институте на использование XPS и угол контакта гониометра, и отдел Геологические и планетарных наук Калифорнийского технологического института для использования 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).
