Індуковане морфологією та розмірами іонів приведення в дію архітектур вуглецевих нанотрубок

Оригінальні статті

Повна стаття
Цифри та дані
Список літератури
Цитати
Метрики
Ліцензування
Передруки та дозволи
PDF

АНОТАЦІЯ

Для майбутніх адаптивних програм потрібні легкі та жорсткі матеріали з високою активною деформацією, але низьким енергоспоживанням. Відповідне поєднання цих властивостей пропонують приводи на основі вуглецевих нанотрубок. Папери з вуглецевих нанотрубок (УНТ) заряджаються всередині електроліту, в результаті чого електричне поле утворює двошаровий шар іонів на їх поверхнях і може бути виявлено відхилення паперів. Дотепер не існує загальновизнаної теорії механізму спрацьовування. Це дослідження зосереджується на механізмі спрацьовування паперів з УНТ, які представляють архітектури випадково орієнтованих УНТ. Зразки випробовують електрохімічним способом у площинній установці для виявлення вільної деформації. Модуль пружності паперів з УНТ аналізується в приміщенні для випробувань на розтяг. Досліджено вплив різних розмірів іонів електролітів на водній основі.

В ході випробувань було виявлено чотири параметри, що мають значний вплив на механічні характеристики паперів з УНТ: умови випробування, електричне заряджання, мікроструктура та розмір іонів. Всі ці фактори впливу вказують на механічно слабке міжтрубне з'єднання, при якому, здається, відбувається спрацьовування. Квадратична кореляція напруги і деформації передбачає поєднання електростатичного та об'ємного ефектів як можливу причину спрацьовування паперу УНТ.

Скорочення: CNT: вуглецеві нанотрубки; CV: циклічна вольтамперометрія; ССЗ: хімічне осадження парів; HiPCO: чадний газ високого тиску; ІЛ: іонна рідина; MWCNT: багатостінні вуглецеві нанотрубки; МВт: багатостінні; NHE: нормальний водневий електрод; PDMS: полідиметилсилоксан; ПММА: поліметилметакрилат; PPy: поліпірол; PVDF: полівініліденфторид; SCE: насичений каломельний електрод; SWCNT: одностінні вуглецеві нанотрубки; SW: одностінні; 1М: одна мольна концентрація

1. Вступ

Опубліковано в Інтернеті:

Рисунок 1. Огляд опублікованих вимірювань паперу УНТ, проведених у площинній установці [8, 13 - 16, 18].

Додаткова інформація про такі установки, як тип еталонного електрода (насичений каломельний електрод, SCE або звичайний водневий електрод, NHE), використаний електроліт, тип та постачальник вуглецевих нанотрубок наведена в таблиці 1 для кращого порівняння результатів.

Опубліковано в Інтернеті:

Таблиця 1. Огляд експериментальних деталей випробувань, представлених на малюнку 1. Всі використані електроліти випробовуються як одна мольна концентрація (1 М). Суспензію тестів, позначених зірочкою (), гомогенізують (зменшена кількість агломератів) центрифугуванням.

Ще більш наноскопічний масштабований підхід до виявлення причини спрацьовування паперу здійснив Гупта [20], використовуючи спектроскопію КРС. Спектроскопія КР є чутливим методом для виявлення змін атомної структури одиночної вуглецевої трубки. Його підхід не дав жодних деталей, оскільки сигнали забагато різних вуглецевих стінок перекривали один одного, маскуючи будь-які суттєві деталі. Однак дослідження Рамана з використанням одиночних вуглецевих нанотрубок [21 - 24] та тести з використанням атомної мікроскопії [25] виявили індуковану зарядом або іонами зміну розмірів самої структури вуглецю. Цікаво, що дослідження також виявили квадратичну кореляцію між зміною атомної структури та прикладеною напругою. Через низку різних ефектів, таких як зменшення пікової інтенсивності при більш високих електричних потенціалах, ефект не може бути з абсолютною достовірністю віднесений до зміни вуглецевого зв’язку. Однак, з наукової точки зору, існує багато вказівок на те, що УНТ по суті мають здатність працювати як виконавчі механізми.

Це дослідження стосується впливу розміру іонів та структури паперу на спрацьовування архітектур, заснованих на УНТ, таких як папери з УНТ. За допомогою двох установок аналізуються активні та механічні властивості паперів з УНТ. Отже, всі вимірювання проводяться з використанням двох різних підходів для тестування зразків:

Перший підхід стосується лише одного зразка УНТ, який використовується для всіх випробувань з різними електролітами. Цей підхід несе ризик того, що електроліти можуть бути забруднені після першої серії випробувань через залишкові іони раніше випробуваних електролітів у порах зразка. Крім того, при кожному випробуванні може відбуватися механічна деградація зразка.

При другому підході для кожного електроліту використовуються окремі зразки. Незважаючи на те, що всі вони вирізані з одного основного паперу з УНТ, вони можуть відрізнятися один від одного своїми електричними та механічними властивостями.

Дотримуючись цих двох підходів та порівнюючи їх результати, вирішується питання ідентифікації структурних ефектів та впливу розмірів іонів.

2. Експериментальний підхід, процедура випробування та оцінка

Наступні підрозділи стосуються всіх аспектів випробувань, починаючи від підготовки зразків, презентації використаних електролітів, наборів випробувань та процедури випробувань до використовуваних математичних формул.

2.1. Підготовка зразка

2.2. Іонні радіуси досліджуваних електролітів та процедура випробування

Папери УНТ занурюють у водний одномолярний розчин різних солей принаймні на 30 хвилин, щоб гарантувати насичення. Використовується шість різних одномолярних водних електролітів: хлорид натрію (NaCl, Merck KGaA, Німеччина), хлорид калію (KCl, Synopharm GmbH & Co. KG, Німеччина), гексагідрат хлориду магнію (MgCl2 & H O, Synopharm GmbH & Co. KG, Німеччина), нітрат натрію (NaNO3, Fluka Analytical GmbH - тепер Honeywell International Inc., США) та сульфат натрію (Na2SO4, Sigma-Aldrich Inc. - нині Merck KGaA, Німеччина). Експерименти зосереджені на відмінностях в електромеханічному спрацьовуванні при використанні різних іонів. З позитивної сторони потенціалу негативний іон Cl - підтримується постійним, тоді як три позитивні іони Na +, K + та Mg 2+ порівнюються. Що стосується негативного потенціалу, то іон Na + підтримувався постійним, тоді як його протиіони змінювались (Cl -, NO і SO). Ефективний та гідратований радіуси іонів згідно з [42] наведені в таблиці 2.