Synthesis, characterization and modeling of interphases created between titanium dioxide nanotubes and various layers in biological, physical and mechanical systems
Authors: Πορτάν Ντιάνα 
Published: September 2021

Η νανοτεχνολογία αποτελεί μια νέα προσέγγιση για την κατανόηση και την άρτια γνώση των ιδιοτήτων της ύλης σε νανοκλίμακα: ένα νανόμετρο (ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου) είναι το μήκος ενός μικρού μορίου. Στο επίπεδο αυτό αποκαλύπτονται διαφορετικές και συχνά καταπληκτικές ιδιότητες της ύλης και είναι δυσδιάκριτα τα όρια μεταξύ των καθιερωμένων επιστημών και τεχνικών κλάδων. Ως εκ τούτου, ο χαρακτήρας της νανοτεχνολογίας είναι άκρως διεπιστημονικός. Είναι συχνές οι αναφορές στο «ρηξικέλευθο» ή «επαναστατικό» δυναμικό της νανοτεχνολογίας, δηλαδή στις δυνατότητες να έχει επιπτώσεις στις μεθόδους βιομηχανικής παραγωγής. Τα μικρότερα, ελαφρύτερα, ταχύτερα και αποδοτικότερα υλικά, κατασκευαστικά στοιχεία και συστήματα που προσφέρει η νανοτεχνολογία είναι δυνατόν να δώσουν λύσεις σε πολλά τρέχοντα προβλήματα. Ανοίγονται έτσι νέες ευκαιρίες για την δημιουργία πλούτου και απασχόλησης. Εξάλλου, αναμένεται ότι η νανοτεχνολογία θα συμβάλει σημαντικά στην αντιμετώπιση παγκόσμιων και περιβαλλοντικών προκλήσεων, επειδή θα καταστήσει δυνατή την κατασκευή προϊόντων και την ανάπτυξη διαδικασιών προσαρμοσμένων σε συγκεκριμένες χρήσεις, στην εξοικονόμηση πόρων και στη μείωση των αποβλήτων και των εκπομπών ρύπων. Υπάρχουν πολλά παραδείγματα πιθανών εφαρμογών της νανοτεχνολογίας. Σε αυτές, περιλαμβάνονται νέα υλικά, νέες ιατρικές , φαρμακευτικές, γεωργικές και περιβαλλοντικές διαδικασίες καθώς και νέες ηλεκτρονικές συσκευές, αισθητήρες κλπ. Η δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν οι ατομικές και μοριακές ιδιότητες των υλικών , επιτρέπει στην ανάπτυξη ποικίλων νέων χρήσεων για τα τρέχοντα προϊόντα. Αξιοποίηση της νανοτεχνολογίας στην επιστήµη των υλικών µε εφαρµογές µεγάλου εύρους αναµένεται να επηρεάσουν ουσιαστικά όλους τους τοµείς. Νανοσωµατίδια χρησιµοποιούνται ήδη για την ενίσχυση υλικών και για την βελτίωση της ποιότητας των καλλυντικών. Με τη βοήθεια της νανοτεχνολογίας είναι δυνατό να τροποποιηθούν επιφάνειες έτσι ώστε να µην χαράσσονται, να καθίστανται αδιάβροχες, καθαρές ή αποστειρωµένες. Η επιλεκτική μεταμόσχευση οργανικών µορίων µέσω νανοδοµηµένων επιφανειών αναµένεται ότι θα επηρεάσει την παραγωγή βιοαισθητήρων και µοριακών ηλεκτρονικών συσκευών. Οι επιδόσεις των υλικών σε ακραίες συνθήκες µπορούν να βελτιωθούν σε σηµαντικό βαθµό προς όφελος π.χ. της αεροναυτικής και της διαστημικής βιοµηχανίας. Σκοπός της διατριβής είναι η ανάπτυξη νανοσωλήνων ΤιΟ2 σε υπόστρωμα καθαρού Τιτανίου με την βοήθεια ηλεκτροχημικής μεθόδου, και η μελέτη των πιθανών εφαρμογών των νέων υλικών στην εμβιομηχανική και την τεχνολογία των ηλιακών κυψελίδων στα φωτοβολταικά. Για τον σκοπό αυτό, θα κατασκευαστηκαν, ανάλογα με την περίπτωση, υβριδικά νανοσύνθετα υλικά αποτελούμενα από νανοσωλήνες ΤiO2 και νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) σε μήτρα βιο-αποικοδομήσιμης ρητίνης που θα βρίσκουν εφαρμογές στην ορθοπεδική και την οδοντιατρική, ενώ αντίστοιχα υβριδικά νανοσύνθετα κατασκευάστηκαν με σκοπό την αντικατάσταση της σιλικόνης στα ηλιακά κελιά με λεπτό στρώμα υβριδικού νανοσυνθέτου ΤiO2 με στόχο την μείωση του κόστους και την παράλληλη αύξηση της ενεργειακής απόδοσης των φωτοβολταικών. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή θα κατασκευαστηκαν νανοσωλήνες ΤιΟ2 σε υπόστρωμα καθαρού Τιτανίου με την βοήθεια ηλεκτροχημικής μεθόδου. Μελετήθηκαν πειραματικά οι κύριες παράμετροι που επηρεάζουν την γεωμετρία των νανοσωλήνων. Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκαν η επίδραση του PH του ηλεκτρολύτη, της χρονικής διάρκειας και της εφαρμοζόμενης ηλεκτρικής τάσης κατά την ηλεκτρόλυση. Σε κάθε περίπτωση, η γεωμετρία των νανοσωλήνων μελετήθηκε με την παράλληλη χρήση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας (SEM) και η χημική σύνθεση με την μέθοδο (EDX). Στην συνέχεια κατασκευάστηκαν δοκίμια νανοσυνθέτων με πολυμερική μήτρα ενισχυμένα με παράλληλα διατεταγμένους νανοσωλήνες TiO2 καθώς και άλλα δοκίμια με παραλληλη ενίσχυση με CNT’s. Το πολυμερές ήταν σε μορφή λεπτού φιλμ, ενώ αναπτυχθεί ειδική μεθοδολογία για την πρόσφυση των νανοσωλήνων άνθρακα τόσο με το πολυμερες όσο και με τους νανοσωλήνες TiO2. Το πολυμερές ανάλογα με την εφαρμογή του Νανοσυνθέτου για την οποία αυτό προορίζεται, ήταν βιο αποικοδομήσιμο (εφαρμογές στην εμβιομηχανική) ή όχι (εφαρμογές στα φωτοβολταικά). Ο πειραματικός χαρακτηρισμός της διεπιφανειακής πρόσφυσης μεταξύ των νανοσωλήνων και του υποστρώματος έγινει με την βοήθεια της νανο-διείσδυσης (nano-identation). Τα πειράματα επιβεβαιώθηκαν και ερμηνεύθηκαν θεωρητικά με την ανάπτυξη και εφαρμογή αναλυτικού θεωρητικού μοντέλου της υβριδικής ιξωδοελαστικής ενδιάμεσης φάσης που αναπτύσσεται στην περιοχή επαφής των νανοσωλήνων με το υπόστρωμα. Τέλος, οι αναλυτικές προβλέψεις καθώς και τα πειραματικά αποτελέσματα συγκρίθηκαν. Για τον έλεγχο των πιθανών εμβιομηχανικών εφαρμογών των ανωτέρω νανοσυνθέτων, μελετήθηκε η δυνατότητα ανάπτυξης ανθρώπινων κυττάρων στην επιφάνειά τους και θα έγινει έλεγχος της βιωσιμότητας, βιοσυμβατότητας καθώς και της αποκόλλησης των κυττάρων από το υπόστρωμα. Για τον έλεγχο των πιθανών εφαρμογών στα φωτοβολταικά μελετήθηκαν οι οπτικές ιδιότητες (reflectivity and photoluminescence), των επιφανειών των υβριδικών νανοσυνθέτων.