Разработка методики сепарации углеродных нанотрубок в микрофлюидных каналах

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра радиотехнической электроники

отчет

по преддипломной практике

????: Разработка методики сепарации углеродных нанотрубок в микрофлюидных каналах

Содержание

углеродный нанотрубка диэлектрофорез сорбция

Введение

1. Методы сепарации углеродных нанотрубок

1.1 Диэлектрофорез

1.2 Физическая сорбция

1.3 Селективный отжиг

1.4 Ионнообменнаяхромотография

1.5 Ультрацентрифугирование

1.6 Метод конструктивного разрушения

1.7 Метод химического разделения

2. Расчет динамики углеродных нанотрубок

3. Метод сепарации углеродных нанотрубок в микрофлюидном канале

Заключение

Список использованных источников

Введение

Углеродные нанотрубки -- протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров состоят из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой.

Различают металлические и полупроводниковые углеродные нанотрубки Металлические нанотрубки проводят электрический ток при абсолютном нуле температур, в то время как проводимость полупроводниковых трубок равна нулю при абсолютном нуле и возрастает при повышении температуры. Полупроводниковые свойства у трубки появляются из-за щели на уровне Ферми. Углеродные нанотрубки с различными свойствами используются в различных отраслях. Так, например, полупроводниковые нанотрубки могут использоваться для создания очень маленьких транзисторов, тогда как металлические могут служить для создания суперконденсаторов из-за их высокой проводимости. Поэтому необходимо научиться их разделять.

1. Методы сепарации углеродных нанотрубок

1.1 Диэлектрофорез

В основе этого метода лежит взаимодействия молекул нанотрубок с переменным электрическим полем. Так как углеродные нанотрубки имеют различные электрические свойства (металлические и полупроводниковые), а именно различные параметры диэлектрических констант, то их разделение эффективно данным методом. Нанотрубка представляется как диполь, на которую действует электрическое поле. Высокая диэлектрическая проницаемость у нанотрубок с металлическими свойствами (более 2000), и низкая у нанотрубок с полупроводниковыми (около 5), приводит к тому, что сила воздействия будет значительно отличаться в зависимости от типа свойств. Токопроводящие нанотрубки будут притягиваться к источнику поля, в то время полупроводниковые останутся в растворе.[1]

1.2 Физическая сорбция

Суспензия из нанотрубок и додецилсульфата натрия смешивается с гелем агарозы, на котором адсорбируются полупроводниковые нанотрубки, когда металлические нанотрубки остаются в мицеллах додецилсульфата натрия Рис. 1.1. Для того чтобы получить суспензию нанотрубок с полупроводниковыми свойствами мицеллы промываются водой. Этим методом можно получить полупроводниковые трубки большой чистоты (95%), но данный метод является очень трудоемким за счет сложной подготовки образца и отделения трубок от сорбента [2].

Рис. 1.1 Распределение геля на нанотрубках

1.3 Селективный отжиг

В основе этого метода лежит взаимодействие микроволнового излучения с металлическими нанотрубками, которые поглощая излучение, сгорают и образуют аморфный углерод, удаляемый с помощью лазера. Этот процесс необходимо повторить несколько раз, так как после первой проходки количество металлических нанотрубок уменьшается на 30% Рис. 1.2. [3]

Рис. 1.2 Отжиг металлических нанотрубок

1.4 Ионообменная хроматография

В этом методе используется специальная ДНК, которая способна обволакивать углеродные нанотрубки с различной хиральностью. Так получается из-за того, что металлические трубки гораздо сильнее взаимодействуют с молекулой ДНК, чем полупроводниковые. Вследствие этого плотность заряда в обволоченной металлической нанотрубке значительно уменьшается. [4]

1.5 Ультрацентрифугирование

На нанотрубки наносится специальное поверхностно-активное вещество, которое в зависимости от геометрических размеров и проводимости трубок распределяется неравномерно Рис. 1.3. вследствие вращения массива нанотрубок со скоростями до 64 тысяч оборотов в минуту. Этот метод очень прост и позволяет получить очень чистый выходной материал, вплоть до 98% чистоты, но главным недостатком и в других выше описанных методах является использование реактивов. [5]

Рис. 1.3 Массив углеродных нанотрубок до и после сепарации

1.6 Метод конструктивного разрушения

Данный метод позволяет разрушать все нанотрубки с металлическими свойствами, не трогая при этом полупроводниковые. На Рис. 2.4. представлена схема такой установки.

Рис. 1.4 Схема метода констуктивного разрушения

Углеродная нанотрубка помещается на подложку из оксида кремения, затем по её краям крепится небольшая установка, состоящая из источника тока, заземления и электродов. После чего на электроды подается избыточное напряжение для разрушения металлических нанотрубок. Разрушение происходит путем окисления слоев трубок и только при определенной мощности. В зависимости от разрушения слоев меняется и ток, контролируя этот процесс появляется возможность создавать нанотрубки с желаемыми характеристиками, например, можно выбирая диаметр трубки получить желаемую ширину запрещенной зоны. Данный метод очень узкоспециализирован и применяется только в том случае, когда необходимо создать транзистор из полупроводниковых трубок. [6]

1.7 Методы химического разделения трубок

В основе всех химических методов разделения УНТ лежит то, что в результате химической реакции происходит разрушение системы р-связей за счёт перехода атома углерода из sp²-гибридизованного состояния в sp³-состояние. Таким образом, можно добиться снижения проводимости нанотрубок с металличесмими свойствами, либо вовсе «выключить» их проводимость.

Металлические углеродные нанотрубки легче вступают в реакции электрофильного присоединения, где в качестве электрофилов могут выступать соли диазония, фторированные алкены, амины, аммиачный раствор натрия и другие.[7]

2. Расчет динамики углеродных нанотрубок

Таблица 1

Решение уравнения (1), ц (t), описывает динамическое изменение угла ц между основной осью углеродной нанотрубки и электрическим полем.

Момент инерции найдем по формуле (1.1)

Где - это демпфирующий момент, который вычисляется по формуле (2)

Объем нанотрубки

А диэлектрофоретический момент (3)

Является реальной частью выражения, по сути показывающее отношение статической диэлектрической проницаемости диэлектрика с поляризуемостью составляющих его частиц (формула Клаузиуса - Моссотти) (3.1)

- фактор деполяризации для продолговатой частицы (3.2)

Где - угловая частота электрического поля

и - являются комплексными значениями диэлектрических проницаемостей частицы и среды, а также проводимостей в частице и среде (3.3).

Рис. 2.1 Зависимость угла поворота от времени трубки с металлическими свойствами См,

Рис. 2.2 Зависимость угла поворота от времени нанотрубки с полупроводниковыми свойствами s_p=1 См,

Рис. 2.3 Зависимость угла поворота от времени металлической нанотрубки с размерами 0.8*10^-6 м (желтая линия) и 10^-6 м (синяя линия)

Рис. 2.4 Площадь затенения при различных дисперсиях нормального распределения Гаусса для 1000 нанотрубок

Рис. 2.7 Спектр оптического поглощения углеродных нанотрубок различных киральностей

Рис. 2.8 Спектр оптического поглощения дистиллированной воды

На этих двух графиках мы можем наблюдать, спектры поглощения и пропускания дистиллированной воды и углеродных нанотрубок с различными киральностями соответственно. Как можно заметить у дистиллированной воды окно прозрачности находится в видимом диапазоне и в ближнем инфракрасном спектре. У нанотрубок же самый высокий коэффициент поглощения находится в ультрафиолетовом диапазоне, но так как вода не пропускает УФ излучение, то выгоднее использовать излучатель в ИК диапазоне. Излучение, которого неплохо пропускает вода и поглощает нанотрубка.

3. Методика сепарации углеродных нанотрубок в микрофлюидном канале

В микрофлюидный канал загружается суспензия из различных углеродных нанотрубок Рис. 3.1.

Рис. 3.1 Загрузка нанотрубок в канал

Попадая в микрофлюидный канал на углеродные нанотрубки начинает действовать переменное электрическое поле и разворачивает их по электрическому полю Рис. 3.1. Как было рассмотрено во второй главе металлические (обозначены черным цветом) трубки поворачиваются быстрее, чем полупроводниковые (обозначены синим) и в следствие эффекта парусности опускаются на дно быстрее полупроводниковых.

Рис. 3.1 Нанотрубки в микрофлюидном канале

В нашей методике мы будем использовать дистиллированную воду с диэлектрической проницаемостью и вязкостью мІ/с. Так как суть методики заключается в сепарации углеродных нанотрубок с различными характеристиками проводимости, то необходимо чтобы этот поток был ламинарным для того, чтобы движению нанотрубок не мешали вихри. Для этого будут вычислены геометрические параметры канала, а также скорость движения жидкости исходя из динамики поворота металлических углеродных нанотрубок, необходимые для осуществления такого потока. Так как по сравнению с полупроводниковыми трубками металлические поворачиваются гораздо быстрее c, то расчет параметров микрофлюидного канала будет происходить, отталкиваясь от этих данных.

Заключение

В данной работе мы рассчитали динамику углеродных нанотрубок в микрофлюидном канале под действием переменного электрического поля, так же показали, что в зависимости от площади затенения нанотрубок возможно проводить оптическую диагностику используя излучатель близкого инфракрасного диапазона для определения количества углеродных нанотрубок с различными металлическими и полупроводниковыми свойствами. Так же была начата разработка методики сепарации углеродных нанотрубок используя их динамику и поведение в вязкой среде при воздействии переменного электрического поля.

Список использованных источников

1. R. Cicoria, Y. Sun // Dielectrophoretically trapping semiconductive carbon nanotube networks //Nanotechnology 19 (2008) 485303 (5pp).

2. T. Tanaka, Y. Urabe, D. Nishide, H. Liu // Metal/semiconductir separation of single-wall carbon nanotubes by selective adsorption and desorption for agarose gel, Phys. Status Solidi, 247, 2010, p. 2867-2870.

3. J.W. Song, H.W. Seo, J.K. Park, J.E. Kim // Selective removal of metallic SWNTs using microwave radiation, Current Applied Physics, 8, 2008, p. 725-728.

4. M. Zheng, A. Jagota, E.D. Semke // DNA-assisted disopertion and separation of carbon nanotubes, Nature materials, V.2, 2003, p. 338-342.

5. Kazuhiro Yanagi, Toshie Iitsuka, ShunjiroFujii, HiromichiKataura // Separations of Metallic and Semiconducting Carbon Nanotubes by Using Sucrose as a Gradient Medium // J. Phys. Chem. C 2008, 112, рр.18889-18894.

6. Ph. G. Collins, Michael S Arnold, PhaedonAvouris. Engineering Carbon Nanotubes and Nanotube Circuits Using Electrical Breakdown. // Science, 2001, Vol. 292.

7. C.-H. Liu, H.-L. Zhang // Chemical approaches towards single-species single-walled carbon nanotubes // Nanoscale, 2, 2010, pp. 1901-1918.

Размещено на Allbest.ru