Dielektroforeetilised CNT-fiibrid: valmistamine ja karakteriseerimine

1. Dielektroforeetilised CNT-fiibrid: valmistamine ja karakteriseerimine Margo Plaado, 2 a materjaliteaduse doktorant Juhendajad: Kristjan Saal Ants Lõhmus

2. Sissejuhatus Süsinik-nanotorude (CNT) omadused Dielektroforeesi põhimõte ja katse skeem CNT fiibrite valmistamine Fiibrite karakteriseerimine (tihedus, tõmbetugevus jm) Perspektiiv, rakendused

3. Süsinik-nanotoru (CNT) Unikaalsed omadused (pikkuse/läbimõõdu suhe 106, Young’I moodul ~1 TPa, tõmbetugevus ~60 GPa) Väga hea soojus- ja elektrijuht Manipulatsiooni keerukus (raskused viimisel soovitud kohta, soovitud puhtusastme, orientatsiooni ja tihedusega)

4. Dielektroforees(DEP) - CNT kinnitumine ebaühtlases elektriväljas Dielektroforees – polariseerunud neutraalse osakese liikumine vedeliku suhtes ebaühtlases elektriväljas. CNT, kui neutraalne osakene (polariseerunud elektriväljas), liigub ebaühtlase elektrivälja tihedaimasse piirkonda. [H. W. Lee et al, Rev. Sci. Instrum. 2005]

5. Dielektroforees: simulatsioon Diagramm elektrivälja joontest(sinised) ja DEP jõud kahe-dimensionaalsel tasandil. Analüüsi skeem. Teoreetilised süsinik-nanotoru trajektoorid. [J. E. Kim et al, Nanotechnology 2005]

6. Katse skeem

7. Pildid seadmetest

8. Volframteravike valmistamine • 0,3 mm W traat • 6 M NaOH lahus • ~2 V pinge • 10 – 15 minutit [M. Cavallini et al, Rev. Sci. Instrum. 2000]

9. CNT lahuse valmistamine 1 : 10 : 1000 massisuhted (varieerub sõltuvalt CNTde parameetritest) MWCNT (0,5 – 50 µm , 0,5 – 200 µm ja ~2 mm) Polüvinüülpürrolidoon, M=40000 g/mol (pindaktiivne aine, mis lihtsustab CNTde lahustumist) Deioniseeritud vesi Ultraheli

10. CNTde pikkus (0,5 – 50 µm, 0,5 - 200 µm, ~2 mm) • tõmbekiirus (1-500 µm/s) • pinge (kuni 500 V, 2 MHz) • CNTde kontsentratsioon lahuses • Funktsionaliseeritud fiibrite valmistamine Parameetrid

11. CNT’de kinnitamine AFM teravikule

12. Kuni 50 µm CNT fiibri valmistamine

13. ~2 mm CNT fiibri valmistamise video

14. Foto fiibritest

15. SEM

16. SEM

17. SEM

18. Fiibri läbimõõdu sõltuvus pingest

19. Fiibri läbimõõdu sõltuvus tõmbekiirusest

20. Pinge-deformatsiooni kõver (50 µm) Tõmbetugevus 6 MPa, Young’i moodul 0,14 GPa.

21. Pinge-deformatsiooni kõverad (200 µm) Tõmbetugevus 5,4 MPa, Young’i moodul 0,22 GPa.

22. Pinge-deformatsiooni kõverad (2 mm) Tõmbetugevus 149 MPa, Young’i moodul 5,5 GPa.

23. Fiibrite tõmbetugevuse sõltuvus CNTde pikkusest [N. Behabtu et al, Nanotoday 2008]

24. tõmbetugevus varieerub sõltuvalt CNTde pikkusest 5 – 150 MPa (nailon 78 MPa, teras 2000 MPa) • Young’i moodul 0,1 – 5,5 Gpa (nailon 2-4 GPa, teras 190 – 210 GPa) • tihedus 0,2 – 0,5 g/cm3 • elektrijuhtivus ~103 S/m (grafiit ~1*105 S/m) • eritugevus (tõmbetugevuse ja tiheduse suhe) kuni 750 kN·m/kg (nailon 69 kN·m/kg , teras 254 kN·m/kg ) Fiibri omadused ja võrdlus

25. Cross-linking Reaktsioon toimus küllastatud parafenüleendiamiini lahuses tert-butüülnitritis, 3 h 65 kraadi Celsiuse järgi. Nitritiga reageerides moodustuvad parafenüleendiamiini aminorühmadest diasooniumrühmad -N2+, mis reageerivad nanotoru pinnal nii, et lämmastik lendab ära ja moodustuvad süsinik-süsinik sidemed linker’i ja nanotoru vahel.

26. Cross-linking

27. Biosensor

28. Tänan tähelepanu eest!