L'oxydation à sec et un recuit sous vide Traitements pour Réglage des propriétés de mouillage de tableaux de nanotubes de carbone
Summary
Cet article décrit une méthode simple pour fabriquer alignés verticalement réseaux de nanotubes de carbone par CVD et par la suite affiner leurs propriétés de mouillage en les exposant à un recuit sous vide ou le traitement d'oxydation à sec.
Abstract
Dans cet article, nous décrivons une méthode simple pour régler réversible les propriétés de mouillage de nanotubes de carbone alignés verticalement (CNT) des tableaux. Ici, les tableaux sont définis comme CNT dense de nanotubes de carbone multi-parois orientées perpendiculairement au substrat de croissance à la suite d'un processus de croissance par dépôt chimique en phase vapeur thermique standard (CVD). 1,2 Ces tableaux CNT sont ensuite exposés à vide traitement de recuit pour rendre plus hydrophobe ou à sécher le traitement d'oxydation pour les rendre plus hydrophiles. Les tableaux hydrophobes CNT peut être activée hydrophile en les exposant à sécher traitement d'oxydation, tandis que les tableaux hydrophiles CNT peut être activée hydrophobe en les exposant à aspirer un traitement de recuit. En utilisant une combinaison des deux traitements, les tableaux CNT peut être commutée entre plusieurs reprises hydrophile et hydrophobe. 2 Par conséquent, une telle combinaison présentent un potentiel très élevé dans de nombreuses applications industrielles et grand public,y compris le système d'administration de médicaments et de haute densité de puissance des supercondensateurs. 3-5
La touche pour faire varier la mouillabilité de réseaux CNT est de contrôler la concentration en oxygène de surface de adsorbats. Adsorbats essentiellement d'oxygène peut être introduit par l'exposition des tableaux CNT à un traitement d'oxydation. Ici, nous utilisons des traitements d'oxydation secs, tels que le plasma d'oxygène et aux rayons UV / ozone, à fonctionnaliser la surface des NTC par groupes fonctionnels oxygénés. Ces groupes fonctionnels oxygénés permettre liaison hydrogène entre la surface de NTC et les molécules d'eau pour former, rendant hydrophile la CNT. Pour activer les hydrophobe, de l'oxygène adsorbé doit être retiré de la surface de CNT. Ici, nous utilisons un traitement de recuit sous vide pour induire processus de désorption de l'oxygène. Tableaux CNT avec une concentration extrêmement faible surface des adsorbats oxygène présentent un comportement superhydrophobe.
Introduction
L'introduction de matériaux synthétiques avec des propriétés de mouillage accordables a permis à de nombreuses applications, y compris l'auto-nettoyage des surfaces et des dispositifs de réduction de traînée hydrodynamique. 6,7 De nombreuses études rapportées montrent que pour réussir à régler les propriétés de mouillage d'un matériau, un besoin d'être en mesure de faire varier sa chimie de surface et la rugosité de la surface topographique 8-11. Parmi les nombreux autres matériaux synthétiques disponibles, les matériaux nanostructurés ont attiré le plus d'attention en raison de leur rugosité de surface inhérente à différents échelons et leurs surfaces peuvent être facilement fonctionnalisés par des méthodes communes. Plusieurs exemples de ces matériaux nanostructurés incluent ZnO, SiO 2 12,13, 12,14 ITO, 12 et nanotubes de carbone (CNT). 15-17 Nous croyons que la capacité de régler réversible les propriétés de mouillage de la CNT a sa propre vertu, car ils sont considérées comme l'un des matériaux les plus prometteurs pour l'avenir applicationtions.
CNT peut être activé par fonctionnalisation hydrophile leurs surfaces avec des groupes fonctionnels oxygénés, introduites pendant un traitement d'oxydation. À ce jour, la méthode la plus courante consiste à introduire adsorbats d'oxygène à la CNT sont les techniques bien connues d'oxydation par voie humide, impliquant l'utilisation d'acides forts et les agents oxydants tels que l'acide nitrique et de peroxyde d'hydrogène. 18-20 Ces techniques d'oxydation par voie humide sont difficiles à être étendu à l'échelle industrielle en raison de problèmes de sécurité et de l'environnement et de la quantité considérable de temps pour terminer le processus d'oxydation. En outre, une méthode de séchage au point critique peut-être besoin d'être employé à minimiser l'effet des forces capillaires qui peuvent détruire la structure microscopique et l'alignement global du réseau de CNT au cours du processus de séchage. Traitements d'oxydation secs, tels que les UV / ozone et traitements par plasma d'oxygène, d'offrir un procédé d'oxydation plus sûr, plus rapide et plus contrôlée par rapport à ce qui précèdetraitements d'oxydation par voie humide.
CNT peut être rendue hydrophobe par élimination des groupes fonctionnels oxygénés attachés à leurs surfaces. Jusqu'à présent, les processus complexes sont toujours impliqués dans la production de tableaux très hydrophobes CNT. En règle générale, ces tableaux doivent être revêtus de non-mouillage des produits chimiques, tels que le PTFE, ZnO et fluoroalkylsilane, 15,21,22 ou être pacifié par le fluor ou le traitement au plasma d'hydrocarbures, tels que CF4 et CH 4. 16,23 Bien que l' traitements mentionnés ci-dessus ne sont pas trop difficiles à être étendu à l'échelle industrielle, ils ne sont pas réversibles. Une fois que le CNT sont exposés à ces traitements, ils ne peuvent plus être rendue hydrophile en utilisant des procédés d'oxydation ordinaires.
Les méthodes présentées ici montrent que la mouillabilité des tableaux CNT peuvent être réglés sans détours et facilement, via une combinaison de l'oxydation sèche et vide traitements de recuit (figure 1). Oxygendsorption processus et de désorption induite par ces traitements sont très réversible en raison de leur caractère non destructif et de l'absence d'autres impuretés. Par conséquent, ces traitements permettent tableaux CNT à plusieurs reprises commuté entre hydrophile et hydrophobe. De plus, ces traitements sont très pratique, économique, et peut être facilement mis à l'échelle en place, car ils peuvent être effectuées en utilisant une étuve à vide commercial et UV / ozone ou nettoyeur à plasma d'oxygène.
Notez que les tableaux alignés verticalement CNT utilisés ici sont cultivées par les produits chimiques standard de dépôt thermique en phase vapeur (CVD). Ces ensembles sont généralement cultivées sur des substrats revêtus de catalyseur de pastille de silicium dans un four à tube en quartz sous un flux de gaz contenant du carbone de précurseur à une température élevée. La longueur moyenne des tableaux peut varier de quelques micromètres à un millimètre de long en changeant le temps de croissance.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nous considérons UV / traitement à l'ozone en tant que technique d'oxydation plus pratique car elle peut être réalisée dans l'air à une température ambiante et à la pression jusqu'à plusieurs heures, en fonction de la longueur du réseau de CNT et de la puissance du rayonnement UV. Un rayonnement UV, produit par une lampe au mercure à haute intensité de vapeur à 185 nm et 254 nm, rompt les liaisons moléculaires sur la paroi extérieure de la couche d'ozone permettant CNT, converti simult…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par la Fondation et Charyk Le Fletcher Jones Foundation sous le numéro 9900600 subvention. Les auteurs remercient le Kavli Nanoscience Institute à l'Institut de Technologie de Californie pour l'utilisation des instruments de nanofabrication, le Centre de recherche moléculaire des matériaux de l'Institut Beckman à l'Institut de Technologie de Californie pour l'utilisation des XPS et communiquer avec goniomètre d'angle, et la Division de la sciences géologiques et planétaires de l'Institut de Technologie de Californie pour l'utilisation de la 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 |
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