חמצון ואבק יבש חישול טיפולים לכוונון מאפייני ההרטבה של מערכי פחמן
Summary
מאמר זה מתאר שיטה פשוטה לפברק מערכי פחמן מיושר אנכי על ידי CVD ולאחר מכן מנגינת נכסי הרטבתם על ידי חשיפתם לואקום חישול או טיפול חמצון יבש.
Abstract
במאמר זה, אנו מתארים שיטה פשוטה הפיכים ללכוון את תכונות ההרטבה של פחמן Nanotube בציר אנכי (CNT) מערכים. כאן, מערכי CNT מוגדרים כצפיפות פחמן רב קירות מאונכים לכיוון מצע הגידול כתוצאה מתהליך צמיחה על ידי התצהיר הסטנדרטי תרמית האדים הכימי (CVD) טכניקה. 1,2 מערכי CNT אלה לאחר מכן נחשפים לואקום חישול טיפול כדי להפוך אותם יותר הידרופובי או לייבוש טיפול חמצון כדי להבהיר להם יותר הידרופילי. מערכי CNT הידרופובי ניתן להפעיל הידרופילי על ידי חשיפתם לייבוש טיפול חמצון, בעוד שניתן הפכו הידרופובי מערכי CNT הידרופילי על ידי חשיפתם לואקום חישול טיפול. באמצעות שילוב של שני הטיפולים, מערכי CNT ניתן להחליף שוב ושוב בין הידרופילי והידרופובי. 2 לכן, שילוב כזה מראה פוטנציאל גבוה מאוד בהרבה יישומים תעשייתיים וצרכניים,כולל מערכת אספקת סמים וsupercapacitors מתח הגבוה צפיפות. 3-5
המפתח ללהשתנות יכולת הרטיבות של מערכי ה-CNT הוא לשלוט על ריכוז פני השטח של adsorbates חמצן. בעיקרון adsorbates חמצן יכול להיות הציג על ידי חשיפה למערכי ה-CNT כל טיפול חמצון. כאן אנו משתמשים בטיפולים יבשים חמצון, כגון פלזמת חמצן וUV / אוזון, functionalize את פני השטח של CNT עם קבוצות פונקציונליות מחומצן. קבוצות פונקציונליות חומץ אלה מאפשרים קשר מימן בין פני השטח של ה-CNT ומולקולות מים ליצירה, עיבוד CNT הידרופילי. כדי להפוך אותם הידרופובי, חמצן adsorbed יש להסיר מפני השטח של ה-CNT. כאן אנו מעסיקים טיפול חישול ואקום כדי לגרום לתהליך desorption חמצן. מערכי ה-CNT עם משטח ריכוז נמוך מאוד של החמצן adsorbates מפגינים התנהגות superhydrophobic.
Introduction
המבוא של חומרים סינטטיים בעלי תכונות הרטבה מתכוננות אפשר יישומים רבים, כולל משטחי ניקוי עצמי והתקנים להפחתת גרר הידרודינמית. 6,7 מחקרים רבים מראים שדיווחו לכוון בהצלחה את מאפייני ההרטבה של חומר, אדם צריך להיות מסוגל להשתנות הכימיה של פני שטח וחספוס פני שטח טופוגרפי. 8-11 בין חומרים זמינים רבים אחרים סינטטיים, חומרי nanostructured משכו את מרבית תשומת הלב בשל החספוס שלהם הטבועים רב גווני פני השטח והשטח שלהם יכולים להיות פונקציונלית בקלות על ידי שיטות מקובלות. מספר דוגמאות לחומרים אלה כוללות nanostructured ZnO, 12,13 SiO 2, 12,14 איטו, 12 וצינורות פחם (CNT). 15-17 אנו מאמינים כי ביכולת הפיכה ללכוון את תכונות ההרטבה של CNT יש כוח משלה מאז שהם נחשבים כאחד החומרים המבטיחים ביותר לעתיד applications.
CNT ניתן להפעיל הידרופילי ידי functionalizing השטח שלהם עם קבוצות פונקציונליות מחומצן, הציגו במהלך טיפול חמצון. נכון להיום, השיטה הנפוצה ביותר להציג adsorbates החמצן לCNT היא טכניקות הרטובות חמצון ידועות, הכוללת שימוש בחומצות חזקות וסוכני חמצון כגון חומצה חנקתית ומי חמצן. 18-20 טכניקות חמצון רטובות אלה הם קשים להיות מדורג עד רמה תעשייתית בגלל בטיחות ואיכות הסביבה והכמות הניכרת של זמן כדי להשלים את תהליך החמצון. בנוסף, שיטת ייבוש נקודה קריטית ייתכן שתצטרך להיות מועסקת על מנת למזער את ההשפעה של כוחות נימים שעלולות להרוס את המבנה המיקרוסקופי ויישור כולל של מערך ה-CNT במהלך תהליך הייבוש. טיפולי חמצון יבשים, כגון UV / אוזון וטיפולי פלזמת חמצן, מציעים תהליך חמצון בטוח יותר, מהיר יותר ומבוקר יותר בהשוואה לאמורהטיפולי חמצון רטובים.
CNT יכול להתבצע הידרופובי על ידי הסרת קבוצות הפונקציונליות חומץ מצורפות מהשטח שלהם. עד כה, תהליכים מסובכים תמיד מעורבים בהפקת מערכי CNT הידרופובי מאוד. בדרך כלל, המערכים האלה צריכים להיות מצופים בכימיקלים שאינן הרטבה, כגון PTFE, ZnO, וfluoroalkylsilane, 15,21,22 או להיות מפויס באמצעות פלואור או פלזמת טיפול פחמימנים, כמו CF4 וCH 4. 16,23 למרות טיפולים הנ"ל הם לא קשים מדי כדי להיות מדורג עד רמה תעשייתית, שהם אינם הפיכים. ברגע CNT נחשף לטיפולים אלה, הם כבר לא יכולים להיות שניתנו הידרופילי באמצעות שיטות חמצון נפוצות.
השיטות שהוצגו במסמך זה עולים כי יכולת הרטיבות של מערכי ה-CNT יכולה להיות מכוונת צורה ישירה ובנוחות באמצעות שילוב של חמצון וואקום טיפולי חישול (איור 1) יבש. חמצןתהליכי dsorption וdesorption הנגרמים על ידי טיפולים אלה הם הפיכים מאוד בגלל האופי הלא ההרסני שלהם והעדר זיהומים אחרים. לפיכך, טיפולים אלה מאפשרים מערכי CNT שעברו שוב ושוב בין הידרופילי והידרופובי. יתר על כן, טיפולים אלה הם מאוד מעשיים וכלכליים, וניתן לשנות בקלות שכן הם יכולים להתבצע באמצעות כל תנור מסחרי ואקום וקרינת UV / אוזון או שואב פלזמת חמצן.
שים לב כי מערכי מיושר אנכי CNT משמשים כאן גדלים על ידי תצהיר הטכניקה הסטנדרטית תרמית האדים הכימית (CVD). מערכים אלה גדלו בדרך כלל על מצעי זרז מצופים סיליקון רקיק בצינור תנור קוורץ תחת זרימה של פחם המכיל גזים מבשרים בטמפרטורה גבוהה. האורך הממוצע של המערכים יכול להיות מגוון מכמה מיקרומטרים למילימטר ארוך על ידי שינוי זמן הצמיחה.
Protocol
Representative Results
Discussion
אנו רואים סגולים / טיפול באוזון, כטכניקת חמצון הנוח ביותר, כי זה יכול להיות מבוצע באוויר בטמפרטורת חדר ובלחץ סטנדרטי לעד כמה שעות, תלוי באורך של מערך ה-CNT וכוחה של קרינת UV. קרינת UV, שנוצרה על ידי מנורה בעצמה גבוהה אד כספית ב 185 ננומטר ו 254 ננומטר, שוברת את הקשרים המולקולאר?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי קרן Charyk ופלטשר ג'ונס הקרן תחת מספר המענק 9900600. החוקרים מכירים תודה עמוק על קאוולי הנו המכון במכון טכנולוגי של קליפורניה לשימוש של מכשירי nanofabrication, מרכז המולקולרי חומרי המחקר של מכון Beckman במכון טכנולוגי של קליפורניה לשימוש של XPS ופנה goniometer זווית, והאגף מדעי גיאולוגיה והפלנטרית של המכון טכנולוגי של קליפורניה לשימוש במנועי החיפוש.
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).
