Denne artikkelen beskriver en enkel metode for å dikte loddrett karbon nanorør arrays av CVD og deretter stille sine befuktningsegenskaper ved å utsette dem til å støvsuge annealing eller tørr oksydasjonsbehandling.
I denne artikkelen beskriver vi en enkel metode for å reversibelt tune befuktningsegenskaper av loddrett karbon nanorør (CNT) arrays. Her er CNT arrays definert som tettpakkede multi-vegger karbon nanorør orientert vinkelrett på vekstsubstrat som et resultat av en vekstprosessen ved standard termiske kjemiske dampavsetning (CVD) teknikk. 1,2 Disse CNT arrays er deretter utsatt for vakuum glødebehandling for å gjøre dem mer hydrofob eller tørke oksydasjonsbehandling å gjengi dem mer hydrofil. De hydrofobe CNT arrayer kan dreies hydrofil ved å utsette dem tørke oksydasjonsbehandling, mens de hydrofile CNT arrayer kan dreies hydrofob ved å utsette dem til vakuum glødebehandling. Ved hjelp av en kombinasjon av begge behandlinger, kan CNT arrayer gjentatte ganger slått mellom hydrofil og hydrofob. 2 Derfor, slik kombinasjon viser et meget stort potensial i mange industrielle og forbruker applikasjoner,inkludert levering av legemidler og høy effekt tetthet supercapacitors. 3-5
Nøkkelen for å variere fuktbarhet av CNT arrays er å kontrollere overflaten oksygenkonsentrasjon adsorbates. Utgangspunktet oksygen adsorbates kan introduseres ved å eksponere CNT matriser til enhver oksydasjonsbehandling. Her benyttes tørr oksidasjon behandlinger, for eksempel oksygen plasma og UV / ozon, for å functionalize overflaten av CNT med oksygenerte funksjonelle grupper. Disse oksygenerte funksjonelle grupper tillater hydrogenbinding mellom overflaten på CNT og vannmolekyler å danne, gjengivelsesteknologi CNT hydrofil. Å slå dem hydrofobe, må adsorberte oksygen fjernes fra overflaten av CNT. Her har vi ansette vakuum glødebehandling å indusere oksygen desorpsjon prosess. CNT matriser med ekstremt lav overflate konsentrasjon av oksygen adsorbates viser en superhydrophobic atferd.
Innføringen av syntetiske materialer med fleksibel fuktingsegenskaper har aktivert mange bruksområder, inkludert selvrensende overflater og hydrodynamiske friksjon enheter. 6,7 Mange rapporterte studier viser at for å kunne stille inn fuktingsegenskaper egenskapene til et materiale, må man være i stand til å variere sin overflatekjemi og topografisk overflateruhet. 8-11 Blant mange andre tilgjengelige syntetiske materialer, har nanostrukturerte materialer tiltrukket mesteparten av oppmerksomhet på grunn av deres iboende multi-skalert overflateruhet og deres overflater kan lett funksjonalisert ved vanlige metoder. Flere eksempler på disse nanostrukturerte materialer innbefatter ZnO, 12,13 SiO 2, 12,14 ITO, 12 og karbon nanorør (CNT). 15-17 Vi tror at evnen til reversibelt tune befuktningsegenskaper CNT har sin egen kraft, siden de anses som en av de mest lovende materialer for fremtidig bruksområdersjoner.
CNT kan dreies hydrofil ved funksjonaliseringsmiddel deres overflater med oksygenerte funksjonelle grupper, som ble introdusert under en oksydasjonsbehandling. Til dags dato, er den vanligste metoden for å innføre oksygen adsorbates til CNT de kjente våt oksidasjon teknikker, som involverer bruk av sterke syrer og oksidasjonsmidler som salpetersyre og hydrogenperoksid. 18-20 Disse våt oksidasjon teknikkene er vanskelige å bli skalert opp til industrielt nivå på grunn av sikkerhet og miljø og betydelig mengde tid å fullføre oksidasjonsprosessen. I tillegg kan et kritisk punkt tørkemetode må anvendes for å minimere effekten av kapillære krefter som kan ødelegge den mikroskopiske struktur og generelle justering av CNT matrisen under tørkeprosessen. Tørr oksidasjon behandlinger, for eksempel UV / ozon og oksygen plasma behandlinger, tilbyr en tryggere, raskere og mer kontrollert oksidasjon prosessen i forhold til de nevntevåte oksidasjon behandlinger.
CNT kan gjøres hydrofob ved å fjerne de vedlagte oksygenerte funksjonelle grupper fra deres overflater. Så langt er kompliserte prosesser alltid involvert i å produsere svært hydrofobe CNT arrays. Vanligvis disse arrayer må belegges med ikke-fukting kjemikalier, for eksempel PTFE, ZnO, og fluoroalkylsilane, 15,21,22 eller bli passivisert ved fluor eller hydrokarbon plasma behandling, for eksempel CF4 og CH 4. 16,23 Selv om er ovennevnte behandlinger ikke så vanskelig å bli skalert opp til industrielt nivå, de er ikke reversibel. Når CNT blir eksponert for disse behandlinger, kan de ikke lenger skal gjengis hydrofil ved hjelp av vanlige oksidasjonsprodukter metoder.
Metodene som presenteres her viser at fuktbarhet av CNT arrayer kan være innstilt oversiktlig og enkelt via en kombinasjon av tørr oksidasjon og vakuum annealing behandlinger (figur 1). Oksygen endsorption og desorpsjon prosesser forårsaket av disse behandlingene er svært reversible på grunn av deres ikke-destruktiv natur og fraværet av andre urenheter. Dermed disse behandlinger tillate CNT matriser bli gjentatte slått mellom hydrofil og hydrofob. Videre, disse behandlingene er svært praktisk, økonomisk, og kan lett skaleres opp siden de kan utføres ved hjelp av en hvilken som helst kommersiell vakuumovn og UV / ozon eller oksygen plasmarenser.
Legg merke til at vertikalt CNT arrays brukes her er vokst av standard termisk kjemisk damp nedfall (CVD) teknikk. Disse matriser er vanligvis dyrket på katalysator belagte silisiumskive substrater i et kvartsrør ovn under en strøm av karbon inneholdende forløperforbindelser gasser ved forhøyet temperatur. Den gjennomsnittlige lengden av oppstillingene kan varieres fra noen få mikrometer til en millimeter lang ved å endre veksttid.
Vi anser UV / ozonbehandling som den mest praktiske oksidasjon teknikken fordi den kan utføres i luft ved en standard romtemperatur og-trykk i opptil flere timer, avhengig av lengden på CNT array og kraften av UV-stråling. UV-stråling, som genereres av en høy intensitet kvikksølvdamplampen på 185 nm og 254 nm, bryter de molekylære bindinger på den ytre veggen av CNT tillater ozon, konvertert samtidig fra luften ved UV-stråling, for å oksidere deres overflate. 26,27 oksidasjonsprosessen stopper når…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet av Charyk Foundation og The Fletcher Jones Foundation i henhold prosjekt nummer 9900600. Forfatterne takknemlig erkjenne Kavli Nanovitenskap Institute ved California Institute of Technology for bruk av nanofabrication instrumenter, Molecular Materials Research Center of the Beckman Institute ved California Institute of Technology for bruk av XPS og kontakt vinkel goniometer, og Divisjon for geologiske og Planetary Sciences i California Institute of Technology for bruk av SEM.
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 |