تصنيع أنظمة الكربون الكهروميكانيكية الدقيقة ثلاثية الأبعاد (C-ميمس)
Summary
تم تصنيع الألياف الزجاجية الكربونية طويلة وجوفاء على أساس الانحلال الحراري من المنتج الطبيعي، والشعر البشري. خطوت التصنيع من أنظمة الكربون الكهروميكانيكية والكربونية نانويلترومشانيكال، أو C-ميمس و C-نيمس، هي: (1) ضوئيات من مادة البوليمر الغنية بالكربون و (2) الانحلال الحراري لسلائف البوليمر منقوشة.
Abstract
وهناك مجموعة واسعة من مصادر الكربون متوفرة في الطبيعة، مع مجموعة متنوعة من التكوينات الصغرى / النانوية. هنا، يتم إدخال تقنية جديدة لتصنيع الألياف الزجاجية الكربون طويلة وجوفاء المشتقة من الشعر البشري. مصنوعة هياكل الكربون طويلة وجوفاء من الانحلال الحراري للشعر البشري في 900 درجة مئوية في جو N2. تم البحث عن التشكل والتركيب الكيميائي للشعيرات البشرية الطبيعية والبيروليزية باستخدام المجهر الإلكتروني للمسح الضوئي (سيم) و التحليل الطيفي للأشعة السينية للإلكترون (إدكس)، على التوالي، لتقدير التغيرات الفيزيائية والكيميائية الناتجة عن الانحلال الحراري. تم استخدام الطيف رامان لتأكيد الطبيعة الزجاجية للهياكل المجهرية الكربون. تم إدخال الكربون الشعر بالتحلل لتعديل أقطاب الكربون الشاشة المطبوعة؛ ثم تم تطبيق الأقطاب المعدلة على الاستشعار الكهروكيميائية من الدوبامين وحمض الاسكوربيك. تحسنت أداء الاستشعار من أجهزة الاستشعار المعدلة بالمقارنة مع ونموديأجهزة الاستشعار. للحصول على تصميم هيكل الكربون المطلوب، تم تطوير نظام الكربون / نانويلترومشانيكال الكربون (C-ميمس / C-نيمس) التكنولوجيا. تتكون عملية تصنيع C-ميمس / C-نيمس الأكثر شيوعا من خطوتين: (1) الزخرفة من مادة أساسية غنية بالكربون، مثل البوليمر حساس للضوء، وذلك باستخدام ضوئيات ضوئية؛ و (2) الكربنة من خلال الانحلال الحراري من البوليمر منقوشة في بيئة خالية من الأكسجين. وقد استخدمت على نطاق واسع عملية C-ميمس / نيمس لتطوير الأجهزة الدقيقة لمختلف التطبيقات، بما في ذلك في البطاريات الصغيرة، المكثفات الفائقة، وأجهزة استشعار الجلوكوز، وأجهزة استشعار الغاز، وخلايا الوقود، و نانوجينيراتورس تريبويلكتريك. هنا، وتناقش التطورات الأخيرة من نسبة عالية الجانب الصلبة المجهرية الكربون المجوف مع مقاومات ضوئية SU8. تم التحقق من الانكماش الهيكلي أثناء الانحلال الحراري باستخدام المجهر متحد البؤر و سيم. تم استخدام التحليل الطيفي رامان لتأكيد البلورية للهيكل، والنسبة الذرية للعناصر بريزنت في المادة قبل وبعد الانحلال الحراري تم قياسه باستخدام إدكس.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
في هذه الورقة تم الإبلاغ عن طرق لتصنيع مجموعة متنوعة من المجهرية الكربون على أساس الانحلال الحراري للمواد السلائف الطبيعية أو هياكل البوليمر صورة نمط. وعادة ما توجد المواد الكربونية الناتجة عن عمليات C-ميمس / C-نيمس التقليدية وغير التقليدية على أنها كربونات زجاجية. ا?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل من قبل تيشنولوجيكو دي مونتيري وجامعة كاليفورنيا في إيرفين.
Materials
| SU8-2100 | Microchem | Product number-Y1110750500L | |
| Spinner | Laurell Technologies Corporation | Model-WS650HZB-23NPP/UD3 | |
| Hotplate | Torrey Pines Scientific | HS61 | |
| UV-exposer | Mercury Lamp, SYLVANIA | H44GS-100M, P/N-34-0054-01 | |
| Photomask | CAD/Art | No number | |
| Developer | Microchem | Y020100 4000L | |
| DI water system | Milli Q | ZOOQOVOTO | |
| IPA | CTR Sientific | CTR 01244 | |
| N2 gas | AOC Mexico | No number | |
| Furnace | PEO 601, ATV Technologie GMBH | Model-PEO 601, Serial no.-195 | |
| Si/SiO2 | Noel Technologies |
Riferimenti
- Wang, C., Jia, G., Taherabadi, L. H., Madou, M. J. A novel method for the fabrication of high-aspect ratio C-MEMS structures. J Microelectromech Syst. 14 (2), 348-358 (2005).
- Jong, K. P. D., Geus, J. W. Carbon nanofibers: catalytic synthesis and applications. Catal Rev Sci Eng. 42, 481-510 (2000).
- Elrouby, M. Electrochemical applications of carbon nanotube. J Nano Adv Mat. 1 (1), 23-38 (2013).
- Baughman, R. H., Zakhidov, A. A., Heer, W. A. D. Carbon nanotubes-the route toward applications. Science. 297, 787-792 (2002).
- Kumar, R., Singh, R. K., Singh, D. P. Natural and waste hydrocarbon precursors for the synthesis of carbon based nanomaterials: graphene and CNTs. Renew Sustain Energy Rev. 58, 976-1006 (2016).
- Afre, R. A., Soga, T., Jimbo, T., Kumar, M., Ando, Y., Sharon, M. Carbon nanotubes by spray pyrolysis of turpentine oil at different temperatures and their studies. Micropor Mesopor Mater. (1-3), 184-190 (2006).
- Sharma, S., Kalita, G., Hirano, R., Hayashi, Y., Tanemura, M. Influence of gas composition on the formation of graphene domain synthesized from camphor. Mater Lett. 93, 258-262 (2013).
- Ghosh, P., Afre, R. A., Soga, T., Jimbo, T. A simple method of producing single-walled carbon nanotubes from a natural precursor: eucalyptus oil. Mater Lett. 61 (17), 3768-3770 (2007).
- Kumar, R., Tiwari, R., Srivastava, O. Scalable synthesis of aligned carbon nanotubes bundles using green natural precursor: neem oil. Nanoscale Res Lett. 6 (1), 92-97 (2011).
- Liang, Y., Wu, D., Fu, R. Carbon microfibers with hierarchical porous structure from electrospun fiber-like natural biopolymer. Sci Rep. 3, 1-5 (2013).
- Gupta, A. Human hair “waste” and its utilization: gaps and possibilities. J Waste Manag. 2014, 1-17 (2014).
- Qian, W., Sun, F., Xu, Y., Qiu, L., Liu, C., Wang, S., Yan, F. Human hair-derived carbon flakes for electrochemical supercapacitors. Energy Environ Sci. 7, 379-386 (2014).
- Pramanick, B., Cadenas, L. B., Kim, D. M., Lee, W., Shim, Y. B., Martinez-Chapa, S. O., Madou, M. J., Hwang, H. Human hair-derived hollow carbon microfibers for electrochemical sensing. Carbon. 107, 872-877 (2016).
- Miura, N., Numaguchi, T., Yamada, A., Konagai, M., Shirakashi, J. Room temperature operation of amorphous carbon-based single-electron transistors fabricated by beam-induced deposition techniques. Jpn J Appl Phys. 37 (2), L423-L425 (1998).
- Irie, M., Endo, S., Wang, C. L., Ito, T. Fabrication and properties of lateral p-i-p structures using single crystalline CVD diamond layers for high electric field applications. Diamond Rel Mater. 12, 1563-1568 (2003).
- Tay, B. K., Sheeja, D., Yu, L. J. On stress reduction of tetrahedral amorphous carbon films for moving mechanical assemblies. Diamond Rel Mater. 12 (2), 185-194 (2003).
- Kamath, R. R., Madou, M. J. Three-dimensional carbon interdigitated electrode arrays for redox-amplification. Anal Chem. 86 (6), 2963-2971 (2014).
- Sharma, S., Khalajhedayati, A., Rupert, T. J., Madou, M. J. SU8 derived glassy carbon for lithium ion batteries. ECS Trans. 61 (7), 75-84 (2014).
- Kim, D., Pramanick, B., Salazar, A., Tcho, I. -. W., Madou, M. J., Jung, E. S., Choi, Y. -. K., Hwang, H. 3D carbon electrode based triboelectric nanogenerator. Adv Mater Technol. 1 (8), 1-7 (2016).
- Duarte, R. M., Gorkin, R. A., Samra, K. B., Madou, M. J. The integration of 3D carbon-electrode dielectrophoresis on a CD-like centrifugal microfluidic platform. Lab Chip. 10 (8), 1030-1043 (2010).
- Mund, K., Richter, G., Weidlich, E., Fahlstrom, U. Electrochemical properties of platinum, glassy carbon, and pyrographite as stimulating electrodes. Pacing Clin Electrophysiol. 9 (6), 1225-1229 (1986).
- Xua, H., Malladi, K., Wang, C., Kulinsky, L., Song, M., Madou, M. Carbon post-microarrays for glucose sensors. Biosens Bioelectron. 23 (11), 1637-1644 (2008).
- Sharma, S., Madou, M. Micro and nano patterning of carbon electrodes for bioMEMS. Bioinspir Biomim Nanobiomat. 1, 252-265 (2012).
- Pramanick, B., Martinez-Chapa, S. O., Madou, M. Fabrication of biocompatible hollow microneedles using the C-MEMS process for transdermal drug delivery. ECS Trans. 72 (1), 45-50 (2016).
