초고밀도의 정렬된 단일벽 탄소 나노튜브 필름을 위한 가열 강화 유전영동

결과 및 토론

두 샘플의 SEM 관찰은 그림 2에 나와 있습니다. 빨간색 직사각형은 해당 확대 영역을 나타냅니다. 양방향 화살표는 개별화된 SWCNT 수집 영역의 너비를 나타냅니다. 두 개의 화살표는 나노튜브 용액의 건조 과정에서 발생하는 커피 링을 나타냅니다. 샘플 B의 경우 DEP 홈에서 커피 링의 윤곽과 SWCNT 필름을 비교함으로써 SWCNT 필름이 DEP 힘에 의해 유도된 집합 및 정렬로 인해 형성되었지만 커피 링 효과 때문이 아님을 확실히 결정할 수 있습니다. 이에 비해 샘플 B의 개별화된 SWCNT의 정렬 밀도가 샘플 A의 정렬 밀도보다 훨씬 높으므로 가열하면 샘플 B의 DEP 프로세스가 향상됩니다. 현재 참고 문헌에 보고된 가장 높은 정렬 밀도와 직관적인 비교 [3] 그리고 [4]는 샘플 B에서 SWCNT의 정렬 밀도도 훨씬 더 높다는 것을 보여줍니다.

샘플 A와 B의 SEM 관찰. 빨간색 직사각형 해당 확대 영역을 나타냅니다. 양방향 화살표 개별화된 SWCNT 수집 영역의 너비를 제시합니다. 화살표 2개 나노튜브 용액의 건조 과정에서 발생하는 커피 링을 나타냅니다. 샘플 B의 경우 DEP 홈에서 커피 링의 윤곽과 SWCNT 필름을 비교함으로써 SWCNT 필름이 DEP 힘에 의해 유도된 집합 및 정렬로 인해 형성되었지만 커피 링 효과로 인한 것이 아님을 확실히 결정할 수 있습니다. 샘플 B의 개별화된 SWCNT의 정렬 밀도는 샘플 A의 것보다 훨씬 높습니다. 정렬된 SWCNT가 있는 전극 사이에서 측정된 저항은 샘플 A의 경우 ~20MΩ이고 샘플 B의 경우 ~50KΩ입니다.

정렬된 SWCNT가 있는 전극 사이에서 측정된 저항은 샘플 A의 경우 약 20MΩ이고 샘플 B의 경우 약 50KΩ입니다. 여기서 DEP 홈의 너비(5μm)가 DEP에 정렬된 개별화된 SWCNT의 길이와 같다고 가정합니다. 모든 개별화된 SWCNT의 비저항과 직경은 동일하며 전극 사이의 저항은 주로 전체 단면적에 의해 결정되므로 DEP 홈에 정렬된 개별화된 SWCNT의 수는 반비례합니다. 다음과 같은 관계:

여기서 R , ρ , L , S , 및 N 는 각각 DEP 홈에서 개별화된 SWCNT의 저항, 비저항, 길이, 단면적 및 개수입니다. 아래 첨자 A와 B는 각각 샘플 A와 B를 나타냅니다. 샘플 B의 DEP 홈에 정렬된 개별화된 SWCNT의 수가 샘플 A의 것보다 약 400배 더 많은 것을 볼 수 있으므로 SWCNT의 정렬 밀도는 가열에 의해 크게 향상되었습니다.

SWCNT의 HE-DEP 프로세스를 분석하기 위해 단단한 막대 모양의 타원체 입자를 사용하여 DEP force field 분포를 시뮬레이션하기 위한 개별화된 SWCNT의 역할을 수행했습니다. 시뮬레이션 작업에서 DEP 힘 \( {\overset{\rightharpoonup }{F}}_{\mathrm{DEP}} \) [10, 11]의 표현식을 사용했습니다.

어디에

모든 연산자 및 매개변수의 물리적 또는 수학적 중요성과 가열이 있는 경우(100°C) 및 가열하지 않은 경우(20°C)에 대한 시뮬레이션에 사용된 값은 표 1에 나열되어 있습니다. ε _p 및 σ _p,m 는 참고문헌 [12]를 참조하고 가열 효과와 NaCh 이온화에 의한 SWCNT 용액의 전도도 증가를 고려하여 추정된다. 모델링 단순화를 위해 SWCNT는 길이가 1000nm인 나노로드로 간주됩니다(a ) 및 반경 1nm(b) , c ), 이러한 값 선택은 당사의 계면활성제로 감싼 HiPCO SWCNT와 관련이 있습니다.

20 및 100°C에서 개별화된 SWCNT에 가해진 DEP 힘의 해당 시뮬레이션된 방향 및 값 윤곽선이 그림 3에 표시됩니다. DEP 힘 화살표의 길이는 DEP 힘 값의 로그에 비례합니다. 직경이 약 25μm인 가장 바깥쪽의 준 반원형 윤곽은 ~10 ⁻¹⁶ 의 DEP 힘에 해당합니다. N. 최대 DEP 힘은 전극의 끝점에 있습니다. 두 경우 모두 DEP 힘의 방향과 값 등고선을 비교하여 20°C에서 100°C로 온도가 증가해도 DEP 힘의 크기가 크게 달라지지 않는다는 것을 알 수 있습니다. DEP 힘이 특정 작은 영역과 이 영역 외부에서만 작동한다는 것은 확실합니다. DEP 힘은 그림 2에서 양방향 화살표로 표시된 SWCNT 수집 영역의 너비에 의해 반영될 수 있는 것처럼 갑자기 감소합니다. 이 영역 외부에서 SWCNT 정렬 밀도는 거의 0입니다. 그림 3의 DEP 힘 분포를 고려하면 이러한 영역의 너비가 DEP 힘 값을 정성적으로 반영한다는 것을 알 수 있습니다. 너비가 클수록 DEP 힘이 커집니다.

해당 DEP 힘은 각각 20 및 100°C에서 개별화된 SWCNT에 가해졌습니다. 화살표 및 준반구 DEP 힘의 방향과 값 윤곽을 각각 나타냅니다. 길이의 단위는 μm입니다. DEP 힘 화살표의 길이는 DEP 힘 값의 로그에 비례합니다. 직경이 약 25μm인 가장 바깥쪽의 준 반원형 윤곽은 ~10 ⁻¹⁶ 의 DEP 힘에 해당합니다. N. 최대 DEP 힘은 전극의 끝점에 있습니다.

가열 효과 하에서 입자의 이동은 중력, 열영동력, 점성 항력, 열확산력, 부력, 브라운력 등 많은 힘을 고려해야 하는 다소 복잡한 과정입니다. 현재까지 이러한 세력 중 일부에 대한 합의는 아직 이루어지지 않았으며 각각의 비중을 정량적으로 할당하는 것은 불가능합니다. 단순함과 간결함을 위해 시뮬레이션 작업 중 DEP 과정과 대류 과정을 구분할 수 있도록 DEP 힘을 제외한 모든 힘의 합을 대류력에 할당합니다. 다음으로, 우리는 대류력(또는 대류 과정)에 의해 강화된 DEP 과정을 시연하고 DEP 그루브 주변에서 DEP 힘 분포와 개별화된 SWCNT의 증착 또는 정렬 분포로부터 대류력 수준을 도출할 것입니다. 시뮬레이션에 따르면 결과적으로 SWCNT 솔루션의 열 평형은 온도가 20°C에서 100°C로 증가할 때 0.2초 안에 빠르게 도달할 수 있습니다. 그림 4와 같이 120초 간격으로 서로 다른 두 시점에서 100°C로 가열된 SWCNT 용액에서 자연 대류의 속도 분포에서 우리는 대류 방향이 불규칙하고 빠르게 변하는 것을 볼 수 있으며, 대류 소용돌이의 치수는 SWCNT 용액의 깊이(100μm) 수준에 있으며, 이는 대류가 100μm × 100μm(2D) 치수의 개별화된 SWCNT를 DEP 홈 주변으로 가져올 수 있음을 나타냅니다. 또한 인접한 대류 소용돌이 사이에서 개별화된 SWCNT의 교환 및 전달도 찾을 수 있습니다. 이는 DEP 홈에서 100μm 이상 떨어진 개별화된 SWCNT도 DEP 홈 주변으로 가져올 수 있음을 나타냅니다. DEP 홈에서 멀리 떨어진 개별화된 SWCNT가 대류의 도움으로 "긴" 길을 이동하고 대류가 강한 양의 DEP 힘을 정복할 수 없는 DEP 홈 주변에 도착할 때 필드), DEP 힘에 의해 포착되어 그림 2의 샘플 B에 표시된 것처럼 DEP 홈 주변에서 이러한 "원격" 개별화된 SWCNT의 증착 및 정렬이 발생합니다. 또한 밀도 차이에 의해 유도된 난류 대류 다양한 온도에서 [http://www.engineeringtoolbox.com/water-thermal-properties-d_162.html] 또한 초당 밀리미터 단위의 속도로 이 전송 과정을 보장하고 매우 효율적으로 향상시켰습니다[https://thayer.dartmouth .edu/~d30345d/books/EFM/chap7.pdf]. 반대로, 시뮬레이션 작업에 의해 밝혀진 20°C에서 급격하게 변화하는 대류 와류와 난류 대류가 모두 없다는 것은 서로 다른 영역 사이의 SWCNT 전달이 부족함을 시사하고 따라서 낮은 정렬 밀도를 초래합니다. 이것은 그림 2의 샘플 A와 B 사이의 정렬 밀도 차이와 가열 강화 DEP 공정에 대한 합리적인 설명입니다. 여기에서 우리는 이 가열 강화 DEP 프로세스의 반복성을 강력하게 주장합니다.

100°C로 가열된 SWCNT 용액에서 자연 대류의 속도 분포. 빨간색 화살표 DEP 홈의 위치를 ​​지적하십시오. 120초 간격의 서로 다른 두 시점에서 대류 방향이 불규칙하고 빠르게 변화하며 대류 와류의 크기는 SWCNT 용액의 깊이(100μm) 수준에서 대류가 가져올 수 있음을 나타냅니다. DEP 홈 부근까지 100μm × 100μm(2D) 치수의 개별화된 SWCNT

SWCNT가 모이는 영역의 너비가 DEP 힘 값을 반영하고 대류 힘이 DEP 홈 주변에서 DEP 힘을 극복할 수 없는 경우 개별화된 SWCNT가 DEP 힘에 의해 점유될 것이라는 위의 가정에 기초하여 우리는 다음을 고려할 수 있습니다. 대류력은 SWCNT가 모이는 영역의 두 경계(그림 2에서와 같이 20~30μm)에서 DEP 힘과 일치하므로 대류력을 평가하는 새로운 방법입니다. 가열(100°C)의 경우 이 두 경계 주변의 시뮬레이션된 DEP 힘은 10 ⁻¹⁶ 수준입니다. N(그림 3)이므로 대류력은 이 값에서 멀지 않아야 합니다.

또한 100°C의 DEP 힘은 20°C의 힘보다 약합니다(그림 3). 그러나 SWCNT 수집 영역의 너비에는 거의 변화가 없습니다(그림 2). 우리는 그 이유를 두 온도에서 물의 점성 항력의 차이로 돌립니다(http://www.engineeringtoolbox.com/absolute-dynamic-viscosity-water-d_575.html). 위에서 언급한 모든 대류력 요소 중 점성 항력은 DEP 힘과의 경쟁에서 가장 중요한 역할을 하며 온도 상승에 따라 감소하는 관계를 나타냅니다(http://www.engineeringtoolbox.com/absolute-dynamic-viscosity- water-d_575.html). 결과적으로 100°C의 물에서 더 작은 점성 항력은 상응하게 더 작은 DEP 힘을 필요로 하며, 이는 동시에 요구 사항을 충족합니다.

개별화된 SWCNT 정렬 밀도의 증가에 대한 또 다른 요인은 용매(물)의 증발에 의해 유도된 SWCNT 농도의 점진적인 증가일 수 있지만 샘플 A에 대한 SWCNT의 정렬 결과에 따르면 이 요인은 큰 역할을 하지 않는 것으로 보입니다. . 위의 분석에 따르면 시료 A와 B의 고유한 유의미한 차이는 가열에 의한 강한 대류가 존재하는지 여부이므로 시료 B의 SWCNT 배향 밀도가 훨씬 높은 이유를 가열- 강력한 대류 과정을 유도하므로 가열이 DEP 과정을 향상시킬 수 있다고 말하는 것이 강력합니다.