Αλλοτροπικές μορφές άνθρακα Νανοσύνθετα με πολυμερή
Carbon Melting point: ~ 3500 o C Atomic radius: 0.077 nm Basis in all organic componds 10 mill. carbon componds
Αλλοτροπικές μορφές άνθρακα ΟD νανοδομές: φουλλερένια, OLC (onion like carbon), C dots, νανοδιαμάντια 1D νανοδομές: νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs), νανοΐνες άνθρακα, single wall nanohorns (SWNHs) 2D νανοδομές: γραφένιο, οξείδιο του γραφενίου
Αλλοτροπικές μορφές άνθρακα
Δομή Graphite sp 2 Diamond sp 3
Νανοάνθρακας Fullerene Tubes Cones Carbon black Ιδιότητες και Εφαρμογές Ηλεκτρικές Μηχανικές Θερμικές Αποθήκευση
Φουλλερένιο The most symmetrical large molecule Discovered in 1985 Nobel prize Chemistry 1996, Curl, Kroto, and Smalley C 60, also 70, 76 and 84. 32 facets (12 pentagons and 20 hexagons) prototype Epcot center, Paris ~1 nm Architect: R. Buckminster Fuller
Φουλλερένιο Symmetric shape lubricant Large surface area catalyst High temperature (~500 o C) High pressure
Φουλλερένιο Symmetric shape lubricant Large surface area catalyst High temperature (~500 o C) High pressure Hollow caging particles
Φουλλερένιο Symmetric shape lubricant Large surface area catalyst High temperature (~500 o C) High pressure Hollow caging particles Ferromagnet? polymerized C 60 up to 220 o C
Φουλλερένιο Chemically stable as graphite most reactive at pentagons Crystal by weak van der Waals force Kittel, Introduction to Solid State Physics, 7the ed. 1996.
Φουλλερένιο Chemically stable as graphite most reactive at pentagons Crystal by weak van der Waals force Superconductivity K 3 C 60 : 19.2 K RbCs 2 C 60 : 33 K Kittel, Introduction to Solid State Physics, 7the ed. 1996.
Onion like carbon Onion α) TEM εικόνα από OLC, που έχουν προκύψει από ανόπτηση μ νανοδιαμαντιών β) OLC, που έχουν προκύψει από ακτινοβόληση με ηλεκτρόνια πολυεδρικών σωματιδίων σε πολυεδρικών σωματιδίων σε υψηλή θερμοκρασία.
C dots Οι C dots είναι ημι σφαιρικά νανοσωματίδια άνθρακα με διάμετρο 2 10 nm με υψηλό περιεχόμενο οξυγόνου. Αποτελούνται από συνδυασμό γραφιτικού και άμορφου άνθρακα. Εμφανίζουν υψηλή φωτο φωταύγεια, η οποία εξαρτάται από το μέγεθος και την ύπαρξη δραστικών ομάδων στην επιφάνεια.
C dots TEM εικόνες C dots από ιστιδίνη TEM εικόνες C dots από ιστιδίνη
Graphene Quantum Dots Μικρά δισκία από κόψιμο μονοστοιβάδων γραφενίου διαστάσεων 2 20 nm. Αποτελούνται από sp 2 άνθρακες και είναι κρυσταλλικά. α) Εικόνες GQD απόafm. β) Εικόνα GQD από TEM
Νανοδιαμάντια Νανοσωματίδια sp 3 άνθρακα με κρυσταλλική δομή διαμαντιού και διαστάσεις από 2 ως 20 nm. α) Εικόνα ΤΕΜ από νανοδιαμάντια β) Φάσμα Raman από carbon black και νανοδιαμάντια.
Νανοσωλήνες άνθρακα, CNTs Multi wall (MWNTs) Εξαγωνικό πλέγμα sp 2 ατόμων άνθρακα Single wall (SWNTs) D ext. = 20 200 Å D int. = 10 100 Å D= 10 20 Å S. Iijima Nature 354: 56 (1991) S. Iijima, T. Ichihashi Nature, 363: 603 (1993)
Νανοσωλήνες άνθρακα, CNTs Discovered 1991, Iijima Roll up vector: C h r = n a + m r 1 a 2
Νανοσωλήνες άνθρακα, CNTs Length: typical few μm High aspect ratio: length >1000 diameter quasi 1D solid Diameter: as low as 1 nm
Εικόνες ΤΕΜ από: ς a) SWNT, b)dwnt, )g p c) group of DWNTs
Νανοσωλήνες άνθρακα, CNTs Shenderova et al. Nanotechnology 12 (2001) 191.
Νανοσωλήνες άνθρακα, CNTs Carbon nanotubes are the strongest ever known material. Young Modulus (stiffness): Carbon nanotubes 1250 GPa Carbon fibers 425 GPa (max.) High strength steel 200 GPa Tensile strength (breaking strength) Carbon nanotubes 11-63 GPa Carbon fibers 3.5-6 GPa High strength steel ~ 2 GPa Elongation to failure : ~ 20-30 % Density: Carbon nanotube (SW) 1.33 1.40 gram / cm 3 Aluminium 2.7 gram / cm 3
Μηχανικές Ιδιότητες Carbon nanotubes are very flexible http://www.ipt.arc.nasa.gov/gallery.html Nanoscience Research Group University of North Carolina (USA) http://www.physics.unc.edu/~rsuper/research/ h / / h/
Γραφένιο Μονοδιάστατο σύστημα
High chemical stability (inertness against oxidation..) Structural integrity after intercalation and de intercalation High performances of gas storage Feasibility to attach foreign species or chemical groups Thermal stability (up to 2000 C under vacuum) Low density (1.33 1.40 g/cm 3 ) (1/6 the weight of steel) Mechanical Resistance (Young modulus ~1.8 TPa) Breaking strength th: 13 50 GPa (astrainof 6%) Volume compressibility : 2 x 10 3 1/kbar Reversible deformation modes (bending, axial compression, torsion)
continues.. The highest thermal conductivity (2000 6000 W/m K) Metallic or semiconducting behaviour Electrical conductivity (1 GA/cm 2 ) High efficiency of Field Emission (FE)
Χρήση C60 ως αντιδραστήριο σύζευξης s-buli styrene THF -78 o C PS Li s-buli styrene toluene 25 o C PS Li 2VP PS-b-P2VP Li C 60 x (PS) x C 60 x Li PS-b-P2VP Li (excess) C 60 :PS :P2VP
Νανοσωλήνες άνθρακα Η κατεργασία της επιφάνειας των CNTs επιτρέπει την καλύτερη διασπορά τους σε διαλύτες και την κατεργασία τους. Οι κατεργασίες αυτές συνίστανται στην εισαγωγή γήδραστικών ομάδων επάνω στην επιφάνεια των CNTs ή στην πρόσδεση πολυμερικών αλυσίδων στην επιφάνεια.
Νανοσωλήνες άνθρακα Όταν μικρές ποσότητες CNTs εισάγονται σε πολυμερή οι ηλεκτρικές, μηχανικές και οπτικές ιδιότητες των πολυμερών βελτιώνονται σημαντικά. Μεγάλες ποσότητες CNTs δημιουργούν εκτεταμένα συσσωματώματα (clusters), τα οποία αλληλεπιδρούν σε μικρότερο βαθμό με τα πολυμερή. Το μέτρο ελαστικότητας του Young στους MWCNTs είναι 0 9 Tpa.
Εισαγωγή δραστικών ομάδων σε CNTs Η οξείδωση της επιφάνειας των CNTs είναι η καλύτερη μέθοδος για την εισαγωγή δραστικών ομάδων, ώστε να βελτιωθεί η διαλυτότητα, η κατεργασιμότητα και η αλληλεπίδραση με άλλα υλικά. Στο στάδιο της οξείδωσης εισάγωνται κυρίως ομάδες COOH, μέσω των οποίων μπορεί να γίνει περαιτέρω χημική τροποποίηση της επιφάνειας των CNTs.
Functionalized CNTs
Τροποποίηση CNTs με πολυμερή Μη ομοιοπολική τροποποίηση (προσρόφηση, περιτύλιξη πολυμερούς, π π αλληλεπιδράσεις) Ομοιοπολική σύνδεση Grafting to Grafting from
Grafting to
Grafting to
Grafting to
Grafting from (ATRP)
Grafting from (ATRP)
Grafting from (ATRP)
Grafting from (ATRP, ROP)
Janus type CNTs
Grafting from (NMRP)
Grafting from (anionic)
Grafting from (anionic)
Grafting from (radical)
Grafting from (step growth)
Σύνθετα Υλικά με CNTs Ανάμιξη σε διάλυμα Διασπορά CNTs σε διαλύτη. Ανάμιξη μξηυπό ανάδευση ημε διάλυμα πολυμερούς. Ελεγχόμενη εξάτμιση διαλύτη. Πολυμερισμός in situ Παράγονται CNTs εμβολιασμένοι με πολυμερή, καθώς και ελεύθερες αλυσίδες Ανάμιξη σε τήγμα Εφαρμόζεται σε θερμοπλαστικά, ημικρυσταλλικά πολυμερή, που λιώνουν πάνω από το σημείο τήξης και σε πολυμερή που δε μπορούν να διαλυθούν σε διαλύτη.
Εισαγωγή δραστικών ομάδων, πρόσδεση πολυμερών σε γραφένιο Με θέρμανση διαζωνιακών αλάτων παράγονται δραστικές ελεύθερες ρίζες, που προσβάλλουν τους sp 2 άνθρακες του γραφενίου σχηματίζοντας ομοιοπολικό δεσμό. Προσθήκη διενόφιλων σε δεσμό C C.
Εισαγωγή δραστικών ομάδων, πρόσδεση πολυμερών σε γραφένιο
Εισαγωγή δραστικών ομάδων, πρόσδεση πολυμερών σε γραφένιο
Εισαγωγή δραστικών ομάδων, πρόσδεση πολυμερών σε γραφένιο
Ομοιοπολική σύνδεση σε οξείδιο του γραφενίου
Ομοιοπολική σύνδεση σε οξείδιο του γραφενίου
Grafting of Graphene Oxide, GO, by ROMP techniques
GO Nanocomposites Tour Method Modified Hummers
GO Nanocomposites
GO Nanocomposites
GO Nanocomposites
GO Nanocomposites
GO Nanocomposites
Nanocomposites
GO Nanocomposites 120 GO-NH-NBE-Grubbs1st-PEO.001 AMIDE BOND GO-NH-CH2-NBE 2nd b.001 Graph ox black 5oC_min.001 100 80 Weig ght (%) 60 40 20 0 0 200 400 600 800 Temperature ( C) Universal V4.7A TA Instruments