Технологические процессы создания наноструктурных материалов

Содержание

Введение
Под мембраной обычно подразумевают тонкую перегородку, разделяющую две среды и выполняющую определенную функцию. Наиболее известны мембраны, имеющие пористую структуру и способные пропускать одни вещества, задерживая другие.
Искусственные мембраны могут быть симметричными однослойными, пронизанными системой соединяющихся однородных пор, и асимметричными двух- или многослойными, представляющими собой крупнопористую высокопроницаемую подложку-перегородку, на которую нанесен тонкий мелкопористый слой (или несколько таких слоев). Мембраны изготавливают из стекла, металла, керамики, полимеров в виде пленок, пластин, трубок и полых нитей.
Наномембранами называют мембраны, которые содержат поры диаметром в доли микрона и менее. В частности, материалы, в которых размер пор строго контролируем и составляет от 2 до 50 нм, называются мезопористыми молекулярными ситами. Мелкие поры способны задерживать очень малые твердые частицы, а также микробы, вирусы, отдельные клетки и даже молекулы. В настоящее время наномембраны эффективно используют для глубокой очистки воздуха и газов, питьевой воды и других жидкостей от твердых частиц и микроорганизмов. Особое применение наномембраны находят в медицине. С помощью них можно выделять вирусы и белки, проводить гемодиализ - разделять компоненты крови, стерилизовать растворы (путем отфильтровывания микроорганизмов), выполнять микробиологический анализ воды. Интересное потенциальное применение связано с биоимплантами. Клеточную структуру имплантата можно изолировать от остального организма замкнутой наномембраной. Тогда обмен между имплантатом и организмом необходимыми веществами будет осуществляться через нанопоры, а антитела, разрушающие инородные клетки, не смогут проникнуть через мембранный барьер.
Современный способ получения высокоэффективных наномембран - облучение сплошных полимерных пленок ускоренными тяжелыми ионами или продуктами распада радиоактивных элементов. Это так называемые трековые нано-мембраны. Высокоэнергетические частицы, пролетая через слой полимера, оставляют треки - сквозные каналы диаметром около 10 нм, заполненные продуктами разрушения (деполимеризации) материала. В результате последующей обработки растворителем (процесс травления) на месте каналов образуются поры, диаметр которых можно регулировать в широком интервале от 30 до 1000 нм.
Существует много других методов получения наномембран. Мембраны на основе оксида алюминия с упорядоченными нанопорами создают анодным окислением поверхности алюминиевой пластины. Нанопоры в пленке кремния образуются в результате кратковременной термической обработки сплошного слоя аморфного кремния. Наномембраны также формируют путем полимеризации органического соединения из раствора или в присутствии поверхностно-активного вещества. В результате ассоциации молекул последнего образуются цилиндрические каналы диаметром в несколько нанометров, пронизывающие насквозь полученную пленку. Ионообменные мембраны получают из ионообменных полимеров (смол), а также из некоторых неорганических соединений, обладающих ионной проводимостью (диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, оксид висмута и др.).
Когда размер пор мембраны в нанометровом диапазоне, транспортные поведение жидкости, в которой не может быть описано с традиционной гидродинамической модели. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что скорость потока жидкости в нанопоры гораздо выше, чем ожидалось [3]. полых трубчатых наноструктур углерода, представляет собой идеальное экспериментальной платформой для изучения поведения жидкости в нанопоре. Углеродные нанотрубки являются трубчатым структурам из атомов углерода, которой одномерно закатаны графитовый лист, специальные и уникальные физические и химические свойства на такие структурах, были в центре внимания ученых с момента открытия. Однако, В прошлом, большинство исследований сосредоточено на электрические, оптические и механические свойства углеродных нанотрубок, углеродных нанотрубок для молекулярного транспорта только в последние годы рост интерес.
Гидрофобность углеродных нанотрубок и в атомном уровне гладкая внутренняя поверхность может значительно сокращает, силу всасывания и силу трения когда жидкость проходит через трубок [4]. Экспериментальные исследования подтвердили, что скорость молекул воды в транспортной углеродных нанотрубок довольно близко к скорости белковой мембраны [5]. Результаты молекулярно-динамического моделирования показывают, что скорость перемещение жидкости в углеродных нанотрубках является «ограниченном». Это ограничение уменьшает свободную энергию жидкости до 40%, таким образом рост скорость передачи жидкости в внутренний диаметр углеродных нанотрубок от 104 до 106 раз повышает [6]. Кроме того, диаметр углеродных нанотрубок можно контролировать непрерывном регулированием размера частиц катализатора в процессе CVD. рост контроль находится в манометровом масштабе [7]; Углеродные нанотрубки также обладают хорошими механическими свойствами, химической стабильностью, высоким соотношением сторон и высокой удельной поверхностью. Все эти особенности, даюет углеродные нанотрубки в применениях нанофильтрации мембраны уникальные преимущества, поэтому вызвали большой интерес.
Новая наномембрана на основе углеродных нанотрубок кроме того, чтобы имеет высокую производительность передачи, еще обладает высокой химической селективностью после химической обработки [8,9], таким образом ожидаются получать применения в био-медицине, в военном деле, и в пищевом производстве, осуществляет разделить микроорганизмы, наночастицы или биологическую высокою молекулу.
Пока использование углеродных нанотрубок подготовки нано мембраны в основном сосредоточены на два аспекта: один основан на неупорядоченных углеродных нанотрубок, таких как Баки мембран бумаги и неупорядоченных углеродных нанотрубок / полимер смешанные мембраны, другой основе на вертикально ориентированных углеродных нанотрубок наномембраны. Разность этих двух мембран заключается в расположении углеродных нанотрубок. В неупорядоченной наномембран на основе углеродных нанотрубок, углеродных нанотрубок, беспорядочным образом, спутанность сознания сетки типа пространственной структуры расположены с образованием плотной упаковки в промежутке между углеродных нанотрубок в качестве канала фильтра, или углеродных нанотрубок смешивается полимерные мембраны, отверстия нанотрубок в качестве канала фильтра. Нанофильтрации мембран в вертикальном расположении углеродных нанотрубок, углеродных нанотрубок перпендикулярно к росту ориентации подложки разрыв трубы инфраструктуры наполнен материалом полимерной матрицы или керамические, углеродные нанотрубки внутреннего отверстия формирования канала фильтра. Это реферат будет сосредоточен на обоих типах структуры наномембраны, рассмотрим несколько типичных методов подготовки наномембраны и ее преимущества и недостатки.
1. Наномембрана (бумага баки)
Яркий пример использования углеродных нанотрубок – ультратонкий проводящий материал, называемый углеродной бумагой.
Нанотрубки - это протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких микрон, состоящие из одного или нескольких свернутых в трубку гексагональных графитовых слоев и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена [1, с. 401].

Рис. 1. СЭМ изображения Buckypaper мембраны подготовленный фильтрации
Для получения бумаги из материала нанотрубок использовались очищенные одно стенные углеродные нанотрубки (ОУНТ), поставляемые компанией Carbon Nanotechnologies Inc. в форме мелких шариков, так называемых BuckyPearls. Данные ОУНТ диспергировались в водном растворе поверхностно-активного вещества Triton Х-100 с помощью ультразвуковой обработки и затем фильтровались с использованием процедуры вакуумной фильтрации. Под действием вакуума дисперсия ОУНТ пропускалась через политетрафторэтиленовый мембранный фильтр (Millipore LS, диаметр пор 5 мкм Рис. 2). Получившиеся после высыхания листы бумаги снимались с фильтра и тщательно промывались в больших количествах воды и метанола для удаления поверхностно-активных веществ и затем высушивались. Полученные листы бумаги, состоящие из нанотрубок, затем отжигались при температуре до 1000°C в течение 9 часов в потоке аргона для удаления остатков растворителей и поверхностно-активных веществ.
Рис. 2. Процесс получение баки-бумагы
Бумага на основе углеродных нанотрубок – материал будущего. Он в 10 раз легче, но в 250 прочнее стали. Этот материал может использоваться в авиации или при создании легких, эффективных бронежилетов. Бумага также может использоваться в качестве защитного слоя транспорта или при конструировании прочных, надежных и очень тонких дисплеев. Данный материал может найти свое применение в структурных и электрохимических системах, основанных на потенциальных механических свойствах бумаги, в приводах, конденсаторах, электродах и устройствах с полевой эмиссией [2].
2. Неупорядоченных углеродных нанотрубок / полимер гибридных мембран
Кроме наномембраны бумаги баки, еще есть наномембраны Углеродные нанотрубки / полимер гибридных мембран, подготовлено случайной ориентацией углеродных нанотрубок добавлен в полимере, она тоже типичная наномембраны из неупорядоченных углеродных нанотрубок.
Полимерная наномембрана широко используется в промышленном производстве, но в ее характеристике существует еще много недостатков. Такие, как сепарации газа, в балансе проницаемости и селективности полимерных мембран есть теоретический верхний передел. Но только путем изменения химической структуры полимера, трудно повысить производительность наномембраны. Таким образом, ранее люди методом добавления болшее цеолиты или методом молекулярных сит совершенствовали полимерных мембраны.
Маранд и др. [28] саммая ранные углеродных нанотрубок добавляли в полимере, в целях повышения производительности полимерную мембрану. Они сначала полиимида силоксановых растворяют в тетрагидрофуране (ТГФ), а затем разным долее добавляли в растворе очищенные однослойные углеродных нанотрубок. После смешивания, по медленной сушке, получали тем самым полимерных смеси наномембран. Результаты измерений показывают, что О2, N2 и CH4 коэффициента диффузии увеличивается с добавлением количество открытие углеродных нанотрубок в полимере, впоследствии, они добавляли алкил амина функционирований однослойных углеродных нанотрубок в разных пропорциях на полиэтилена сульфон, тем самым получил равномерной дисперсной гибридной наномембран из углеродных нанотрубок. Как показано Рис. 2. Кром того, они изучали проницаемость через мембрану He, O2, N2, CH4 и других газов и обнаружили, что все коэффициентом диффузии газа увеличилась с добавлением углеродных нанотрубок гибридные мембраны с высокой скорстью диффузии углерода нанотрубы канала.
Рис. 2 поперечного сечения изображения SEM 10% массовой доли SWCNT / ФСФ смешанных мембран. Стрелка указывает ОУН в полимерной матрице.
Конг и др. [30] углеродные нанотрубки добавив в бромиде поли «2,6 - дифенил-1, 4 - фенил эфир» получили полимерных смесей мембраны; исследование показало, что однослойные и многослойные нанотрубки углерода присоединиться эффективно улучшить уровень проникновения газа CO2, но мало влияет на селективность CO2 / N2. Впоследствии, Венг и др. [31] в нескольких углеродных нанотрубок после сильной кислотной обработки помещаются в массовой долей 15% полиэфир имид (PBNPI) раствора, перемешивания и смешивания равномерно наносят на поверхность стекла получают путем смешивания наномембран. массовой долей 15% наномембраны углеродных нанотрубок H2/CH4 газа открытия с хорошей избирательностью. Tseng и др. [32] углеродных нанотрубок с полиимида смешиваются и подготовленные карбонизации углерод / углеродных нанотрубок гибридные мембраны. Измерений установлено, что фактором мембранного разделения CO2 / N2 увеличилось от 2 до 4 порядка больше, чем у чистой мембранной углерода. Исмаил и др. [33] нескольких углеродных нанотрубок функциональными полиимида (PI) гибрид, использование инверсии фазы подготовлен CNT / PI гибридных мембран, обнаружил, что, по сравнению с PI мембран, углеродные нанотрубки / PI гибридных мембран доступны для высоких CO2 / CH4 газа селективности.
Кроме газа фильтрации и разделения, Nechifor и др.[34] также попробовали углеродных нанотрубок / полисульфона смешанных мембран, используемых в гемодиализе, обнаружили, что добавление углеродных нанотрубок может значительно улучшить мембраны Pb2 +, Hg2 +.
Хотя неупорядоченных углеродных нанотрубок / полимерные композиционные мембраны подготовки является относительно простым, но мембрана есть некоторые очевидные недостатки. Потому что углеродных нанотрубок на фильтре был неупорядоченным расположением, добавив, большинство из нанотрубок не добьется роль канал фильтра, и поэтому не может дать полный простор преимущества ультра-высокой транспортной скорости углеродных нанотрубок отверстия внутреннего. Кроме того, дисперсность углеродных нанотрубок в полимерную мембрану еще решить важный фактор в исполнении нанофильтрации мембраны.
3. Вертикально ориентированные углеродные нанотрубки композитные мембраны
Вертикально ориентированные композитные мембраны на основе углеродные нанотрубки в качестве фильтра углеродных нанотрубок канала через отверстие заполнить разрыв углеродных нанотрубок для достижения вертикально углеродных нанотрубок. По сравнению с неупорядоченных углеродных нанотрубок мембраны нанофильтрации, нанофильтрации мембраны способствует играют в пользу углеродные нанотрубки в мембране приложениями, такими как высокая скорость транспорта, высокая селективность, а диаметр можно плавно регулировать в нанометровом масштабе, .
На рисунке 3 показана типичная вертикальным расположением углеродных нанотрубок в ходе подготовки композитные мембраны является схема [1]. Во-первых, методом CVD на монокристаллического кремния или кварца роста листа вертикально выровнены массивов углеродных нанотрубок, а затем заполнен герметичный материал нанотрубок разрыв, тем самым формируя непрерывную композитная пленка, наконец, фильм снимают с подложки, на обоих концах отверстия углеродных нанотрубок для получения нанофильтрации мембраны. Описанный выше процесс подготовки является очень сложной задачей. Во-первых, рост сердечно-сосудистых заболеваний должна быть получена посредством контроля за условиями роста, как «Бамбук», а «узелки» структуре массива углеродных нанотрубок, а во-вторых, не разрушая пустоты между заполнение трубы на основе углеродных нанотрубок выровненыжидкости только через внутреннее отверстие, наконец, композитная пленка была снимают с подложки, углеродные нанотрубки к началу открытия будет закрыто серии травления и процесса ионного травления и удаления металлических частиц катализатора, образуя тем самым самонесущийОбразцы мембран нанофильтрации.
Рис. 3. Схематическое изображение изготовлению подхода мембран на основе вертикально ориентированных углеродных нанотрубок.....