Βελτιστοποίηση της ανάπτυξης και τροποποίησης μονοδιάστατων νανοδομών άνθρακα για ενίσχυση προηγμένων νανοσύνθετων υλικών
Authors: Τρομπέτα Αικατερίνη-Φλώρα 
Published: November 2021

Οι νανοδομές άνθρακα και συγκεκριμένα οι νανοσωλήνες ή/και νανοΐνες άνθρακα, αποτελούν σημαντικό υλικό της νανοτεχνολογίας ως κύριο παράδειγμα μονοδιάστασης νανοδομής. Η περαιτέρω ανάπτυξη της παρούσας τεχνολογίας, όπως και η χρήση των συγκεκριμένων νανοϋλικών σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών του κατασκευαστικού τομέα (οικοδομική, ναυπηγική, αυτοκινητοβιομηχανία, αεροναυπηγική, κτλ.) και όχι μόνο, εξαρτάται από τη διάθεση των υλικών αυτών σε ικανές ποσότητες και λογικό κόστος.Στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη, τροποποίηση και χρήση των νανοσωλήνων ή/και νανοϊνών άνθρακα σε ένα φάσμα απαιτητικών εφαρμογών που βρίσκουν κυρίως χρήση στον κατασκευαστικό τομέα, αξιοποιώντας τις εξαιρετικές φυσικοχημικές τους ιδιότητες, όπως η μηχανική αντοχή, η ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα, ακόμα και οι οπτικές τους ιδιότητες, οι οποίες προσφέρουν πολλές δυνατότητες για βιομηχανικές εφαρμογές.Τρεις βασικοί πυλώνες συνιστούν τη δομή της ερευνητικής εργασίας: η σύνθεση των νανοδομών άνθρακα, η κατάλληλη χημική τους τροποποίηση που επιλέγεται με κριτήριο την εφαρμογή, και τέλος η αποτίμηση των ιδιοτήτων του τελικού νανοσύνθετου υλικού. Τα τρία αυτά μέρη, συμπληρώνονται από τη θεώρηση της ανάλυσης κύκλου ζωής, καθώς τα ενισχυμένα υλικά συγκρίνονται με τα υπάρχοντα συμβατικά, ως προς την απόδοσή τους, τη λειτουργικότητά τους, αλλά και τις περιβαλλοντικές τους επιπτώσεις κατά τη σύνθεση, χρήση και εφαρμογή τους. Για το λόγο αυτό, ερευνώνται παράλληλα και οι πιθανές επιπτώσεις των νανοδομών στην ανθρώπινη υγεία και τα οικοσυστήματα, μέσω μελετών τοξικότητας.Πρώτο μέλημα αποτελεί η σύνθεση των ινωδών νανοδομών άνθρακα με τον αποδοτικότερο τρόπο. Για το λόγο αυτό, επιλέγεται η τεχνική της θερμικής καταλυτικής χημικής εναπόθεσης ατμών (TC-CVD), η οποία εξασφαλίζει τη σύνθεση ικανών ποσοτήτων νανοδομών άνθρακα με αναπαραγωγισιμότητα, καθώς επιτρέπει τον εύκολο έλεγχο των συνθηκών και συνοδεύεται από μικρότερες ενεργειακές απαιτήσεις σε σχέση με άλλες ανταγωνιστικές της, όπως η εκκένωση ηλεκτρικού τόξου μεταξύ ηλεκτροδίων άνθρακα (arc-discharge), η εξάχνωση γραφίτη με χρήση λέιζερ (laser ablation) και η μετατροπή μονοξειδίου του άνθρακα υπό υψηλή πίεση (HiPCO).Για την ανάπτυξη των νανοδομών άνθρακα, αξιοποιείται το σύστημα CCVD της Εργαστηρίου Προηγμένων, Συνθέτων, Νανοϋλικών και Νανοτεχνολογίας (R-NanoLab). Δύο κύριοι τρόποι ανάπτυξης των μονοδιάστατων δομών εξετάζονται: η σύνθεση μέσω υποστηριζόμενου καταλύτη, με πρόδρομη ένωση το ακετυλένιο και καταλύτη από μέταλλα μετάπτωσης, προσροφημένα σε πορώδη υλικά, και η σύνθεση μέσω αιωρούμενου καταλύτη, κατά την οποία, τόσο η πρόδρομη ένωση όσο και ο καταλύτης εισάγονται ταυτόχρονα, είτε αφού προαναμιχθούν σε στερεά ή υγρή φάση, είτε από διαφορετικά σημεία του αντιδραστήρα.Ακολουθεί μια εκτενής ανάλυση βιωσιμότητας για τις δύο αυτές μεθόδους, η οποία αποδεικνύει ότι η μέθοδος του υποστηριζόμενου καταλύτη είναι πιο παραγωγική και πιθανότατα πιο ελπιδοφόρα για τη μεταφορά της παραγωγής σε μεγαλύτερη κλίμακα. Παρ’ όλα αυτά η μέθοδος του αιωρούμενου καταλύτη, μπορεί να είναι προτιμητέα σε ιδιαίτερες περιπτώσεις, όπως η ανάπτυξη νανοσωλήνων σε ίνες άνθρακα σε διεργασία ενός σταδίου.Εν συνεχεία, αναφέρεται η μελέτη για την αύξηση της παραγωγικότητας των δυο μεθόδων, με το υπάρχον σύστημα ή/και με τροποποιήσεις αυτού. Βασικός στόχος είναι η αύξηση της καταλυτική επιφάνειας, το οποίο επιτυγχάνεται είτε με κατάλληλη τοποθέτηση του καταλύτη, στην περίπτωση που αυτός υποστηρίζεται, είτε με δοκιμή διαφορετικών καταλυτών. Οι νανοδομές άνθρακα που παράγονται από τις δοκιμές, χαρακτηρίζονται εκτενώς ως προς τη μορφολογία και τη δομή τους, και προχωρούν στα βήματα του καθαρισμού και της χημικής τροποποίησης, ώστε να χρησιμοποιηθούν στο επιλεγμένο υλικό, αναλόγως με την ποιότητά τους.Τέλος, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από τη χρήση των παραγόμενων νανοδομών σε ένα εύρος εφαρμογών. Συγκεκριμένα, οι νανοσωλήνες ή/και νανοΐνες δοκιμάζονται αρχικά σε νανοσύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας, όπως εποξειδικές ρητίνες και μελετώνται οι μηχανικές και ηλεκτρικές ιδιότητες αυτών. Στη συνέχεια, οι νανοσωλήνες άνθρακα δοκιμάζονται σε οργανικές επιστρώσεις, για την ενίσχυση της αντιβιοεπιστρωτικής τους δράσης. Μια επιπλέον εφαρμογή που εξετάζεται αφορά τη χρήση νανοσωλήνων ή/και νανοϊνών άνθρακα σε τσιμεντοκονιάματα για την αύξηση των μηχανικών τους αντοχών. Τέλος, οι μονοδιάστατες νανοδομές άνθρακα εξετάζονται σε εφαρμογές ηλεκτρονικής, υπό μορφή αγώγιμων διασπορών, με στόχο την ανάπτυξη υπερπυκνωτών σε εύκαμπτα υποστρώματα.