나무 고유의 정교한 구조는 연구자들이 이를 기능성 나노입자 합성을 위한 천연 템플릿으로 사용하도록 영감을 줍니다. 이 연구에서는 천연의 저렴하고 재생 가능한 템플릿으로 포플러 나무를 사용하여 순수한 구리 나노 입자를 합성했습니다. 구리 나노 입자의 결정 구조와 형태는 X선 회절 및 전계 방출 주사 전자 현미경으로 특성화하였다. 하이브리드 목재 재료의 광학 특성, 항균 특성 및 안정성도 테스트했습니다. 나무의 계층적 및 이방성 구조와 전자가 풍부한 성분으로 인해 fcc로 안정성이 높은 순수 구리 나노 입자가 합성되었습니다. 구조와 균일한 크기로 만든 다음 나무 셀 루미나를 따라 옥수수 속대와 같은 구리 침전물로 조립됩니다. 나노 입자의 생성물은 초기 OH - 에 크게 의존합니다. 집중. OH − 의 증가와 함께 농도, Cu2 O는 점차 감소하고 Cu는 남았다. 목재 구조 고유의 제약으로 인해 유도된 Cu 나노 입자는 Cu 2+ 증가에도 불구하고 유사한 입자 크기를 나타냄 집중. Cu 나노구조와 목재의 조합은 놀라운 광학 및 항균 특성을 나타냅니다.
<섹션 데이터-제목="배경">금속 나노 입자는 뛰어난 물리적 및 화학적 특성 덕분에 과학계에서 폭넓은 관심을 받았습니다[1]. 은과 금은 독특한 플라즈몬 공명과 높은 안정성으로 인해 특히 큰 관심을 끌었습니다. 그러나 은과 금의 높은 비용은 광범위한 산업적 적용을 제한합니다[2]. 구리는 훨씬 저렴하고 풍부하기 때문에 구리 나노입자(Cu NP)는 은 및 금 NP를 대체하는 것으로 간주될 수 있습니다. 또한 Cu 기반 나노입자는 촉매, 광학, 항균 및 전기 전도성 특성으로 인해 중요성이 커지고 있습니다[3,4,5]. 이러한 특성을 최대한 활용하기 위해서는 구리의 크기, 순도, 모양을 잘 조절해야 합니다. 따라서 용액환원법, 열분해법, 금속증기합성법, 방사선법, 마이크로에멀젼법, 기계적 마찰법, 전착법 등 제어된 모양과 특정 크기 분포를 갖는 나노입자를 합성하기 위한 다양한 시도가 제안되어 왔다[6,7,8, 9,10]. 이 중 용액 환원 접근법은 Cu NP의 제조를 위한 실현 가능하고 예외적으로 다재다능한 방법입니다. 그러나 구형 모양의 나노 입자 분자를 찾는 것이 일반적입니다. 다른 독특한 표면 형태를 가진 제어된 NP 합성은 몇 가지 고유한 유기/무기 템플릿을 사용하여 달성할 수 있습니다[11]. 그럼에도 불구하고 준비 과정에서 템플릿을 사용하는 데 비용이 많이 들고 절차가 지루합니다[12].
이러한 Cu NP를 활용하는 또 다른 문제는 공기 중 표면 산화 및 결과적인 응집에 대한 고유한 경향입니다[13]. 이 문제를 피하기 위해 불활성 환경(예:질소 또는 아르곤)이 사용됩니다[14]. 다른 보고서에서는 산화 문제를 해결하기 위한 다양한 접근 방식을 제시했습니다. 이러한 방법은 일반적으로 입자 표면의 보호층을 통해 Cu NP가 산소에 노출되는 것을 최소화하는 것을 기반으로 합니다. 이 층은 폴리머[15], 유기 리간드[16, 17], 탄소와 그래핀[18], 또는 불활성 금속[19]으로 구성될 수 있습니다. 그러나 이러한 전략에는 복잡한 프로세스 및/또는 특수 장비가 필요합니다.
목재는 정교한 구조로 인해 자연스러운 템플릿으로 간주될 수 있습니다. 그림 1과 같이 목재는 나노에서 마이크로까지 다공성 구조를 갖고 있어 기능성 소재를 도입할 수 있는 접근성을 제공한다. Keplinger et al. 자극 반응 젤을 위한 기계적으로 안정적인 스캐폴드로 목재 구조를 사용했습니다[20]. 우리의 이전 연구는 목재가 조립된 ZnO 나노구조의 템플릿으로 사용될 수 있음을 나타냈습니다[21]. 하이브리드 목재 재료는 열 안정성, 자외선 저항 및 항균 특성에서 탁월한 성능을 나타냅니다. 목재의 고유한 계층적 및 이방성 구조로 인해 목재 구조 내 NP 성장은 다면체 모양을 나타내는 3D 질서를 형성할 가능성이 높습니다[22]. 예를 들어, 이방성을 갖는 자성 목재는 제2철 이온과 제1철 이온의 공침을 통해 제조될 수 있으며, 층상 나노크기 입자는 내부 목재 세포벽 표면에 단단히 부착될 수 있다[23]. 따라서 목재는 NP와 결합하여 저렴하고 가볍고 다기능적인 재료를 생산하는 데 이상적인 템플릿입니다.
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포플러 나무의 미세 구조. 아 교차 구역. ㄴ 세로 섹션
목재의 독특한 구조 외에도 셀룰로오스, 리그닌 및 헤미셀룰로오스로 구성된 목질 섬유소 성질은 금속 나노입자에 대한 감소 및 안정화 효과를 가지고 있는데, 이러한 구성요소에 포함된 히드록실 및 페놀기의 전자가 풍부한 특징을 감안할 때입니다[24]. Lin[25, 26]은 크기와 모양이 제어된 Pt NP와 Ag NP가 다른 환원제를 사용하지 않고 수성 시스템에서 목재 나노물질을 사용하여 성공적으로 합성되었음을 보여주었습니다. 그들은 NPs의 형성이 Pt 이온과 Ag 이온을 환원시키는 목재 성분의 수산기와 페놀기의 환원성에 기인한다고 생각합니다. 그러나 나무의 정교한 구조는 이전 연구에서 생성된 Cu NP가 산화되기 쉽도록 충분히 사용되지 않았습니다. 따라서 NP가 단단한 목재를 주형으로 사용하여 합성되는 경우 목재 구성 요소는 NP 안정성에 유익한 것으로 보입니다.
이 연구에서 우리는 천연 템플릿으로 포플러 나무 내에서 화학적 환원을 통한 새로운 Cu 아키텍처의 성공을 보고했습니다. Cu 나노입자의 형태와 결정 구조를 특성화하고, 하이브리드 목재 재료의 안정성, 광학적 특성, 항균성을 조사하였다.
포플러(Populus tomentosa Carr.), 50 × 50 × 5(세로) mm 3 치수의 샘플 일정한 무게로 103°C에서 준비하고 오븐에서 건조했습니다.
구리(II) 염화물 탈수화물(CuCl2 ·2H2 O) 및 수소화붕소나트륨(NaBH4 )는 Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.(중국 상하이)에서 구입했습니다. 다른 분석용 화학 반응물은 Beijing Chemical Reagents Co., Ltd.(Beijing, China)에서 입수했습니다.
하이브리드 목재 재료의 제조 공정은 그림 2에 나와 있습니다. NaBH4 CuCl2의 환원제로 사용되었습니다. •2H2 O. NaBH4의 농도 및 CuCl2 •2H2 화학양론적 NaOH를 첨가하여 O 용액을 제조하였다. 목재 샘플을 CuCl2에 담근 •2H2 O 용액을 30분 동안 진공(ca. 0.095 MPa)하고 대기압에서 2시간 동안 침지하여 다공성 목재 구조로 심층 확산되었습니다. 함침 후 샘플을 200mL NaBH4에 빠르게 담그었습니다. 48시간 동안 NaOH의 양이 다른 용액. 그런 다음 샘플을 30°C에서 72시간 동안 오븐 건조하기 전에 pH 값이 중성이 될 때까지 탈이온수로 헹구었습니다. 이러한 솔루션의 자세한 공식은 표 1에 나열되어 있습니다.
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하이브리드 목재 재료의 제조 공정
NP의 X선 회절(XRD) 측정은 Bruker D8 고급 회절계(독일)를 사용하여 수행되었습니다. 장치 매개변수는 다음과 같이 설정되었습니다. 흑연 모노크로메이터를 사용한 Cu-Kα 방사선, 전압 40kV, 전류 40mA, 2θ 스캔 범위는 2°/min의 스캔 속도에서 5° ~ 90°입니다.
에너지 분산형 X선 분광기(EDS, EX-350, Horiba Scientific, Japan)가 장착된 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM, Hitachi SU8010, Japan)을 사용하여 Cu 나노구조의 형태를 조사하였다. 샘플에서 세로면의 내부 부분을 전도성 접착제에 장착하고 금 스퍼터로 코팅한 후 5kV의 전압에서 FE-SEM을 사용하여 관찰했습니다.
확산 반사율 UV-VIS 스펙트럼은 적분구가 장착된 UV-VIS 분광 광도계(Cary-300)를 사용하여 측정하였다. 스캔 범위는 800~300nm였습니다.
살균 실험을 위해 하이브리드 목재 재료를 직경 10mm의 원형으로 가공했습니다. 박테리아 현탁액(대장균 )은 샘플을 플레이트에 놓기 전에 영양 한천 플레이트의 표면에 균일하게 적용되었습니다(플레이트당 1개의 대조군 및 2개의 처리된 샘플). 플레이트를 37°C에서 24시간 동안 인큐베이션한 후 최대 0.1mm 해상도의 자로 샘플을 둘러싼 억제 영역의 평균 직경을 측정했습니다.
그림 3a는 그룹 A, B, C, D에 있는 샘플의 XRD 패턴을 보여줍니다. 모든 샘플에 대해 15.9°, 22.1° 및 34.5° 주위에 나타나는 명백한 특징적인 피크가 (101), (002) 및 ( 040) 셀룰로오스의 평면 [27]. 43.3°, 50.4° 및 74.1° 부근의 특징적인 피크는 각각 Cu의 (111), (200) 및 (220) 평면에 기인하며, 이는 fcc Cu의 구조(JCPDS No. 85-1326) [10, 28]. 그러나 Cu<하위>2 O NP, 각각 [10]. 이러한 현상은 나노입자의 생성물이 초기 OH - 에 크게 의존함을 나타냅니다. 집중. 더 낮은 농도에서 생성물은 주로 Cu 및 Cu2였습니다. 오 NP. OH − 로 농도 증가, Cu2 O NP는 점차 감소했습니다. OH - 농도가 1.0mol/L 이상에 도달하면 모든 Cu2 O 오염물질은 사라지고 Cu NPs만 제품에 남게 되었습니다. 일반적으로 금속 Cu는 Cu 2+ 간의 산화환원 반응을 통해 합성될 수 있습니다. 및 NaBH4 [29]. OH − 의 존재 이 시스템에서 pH를 조정하고 물에서 반응을 가속화하는 것입니다[30]. NaBH4 H2와 반응할 수 있음 O pH가 9.5 미만일 때 환원력이 약해집니다[31]. 따라서 NaOH에 의해 pH를 10-12로 조정하였다[5]. 또한 Cu NPs의 입자 크기는 pH 값이 증가함에 따라 감소합니다[31]. 그러나 목재 성분은 높은 알칼리성 조건에 민감하고 NaOH에 의해 분해되어 OH - 농도를 감소시킵니다. . 따라서 더 높은 농도의 OH - 나무 템플릿에서 순수한 Cu NP를 합성하는 데 필요했습니다. 높은 OH − 에서 농도, Cu 2+ Cu(OH)2로 변환되었습니다. 전구체로서 NaBH4만큼 감소 , 이는 용액의 색상이 진한 파란색에서 무색으로 변하는 것으로 확인할 수 있습니다[32]. 그러나 금속 Cu의 전이는 일반적으로 작용기가 있는 보호 중합체와 같은 다른 시약 없이 단순한 Cu 염의 환원을 통해 얻을 수 없습니다. 대신 감소는 Cu2에서 멈출 가능성이 더 높습니다. 많은 수의 물 분자의 존재로 인한 O 단계[33]. 이 경우 순수한 Cu NP의 생성은 목재 템플릿으로 인한 것일 수 있습니다. 첫째, 목재의 계층 구조가 NP의 조립에 기여했습니다. 두 번째로, 목재 구성요소에 있는 페놀기와 수산기의 전자가 풍부한 특징은 Cu NP에 대한 감소 및 안정화 효과를 발휘했습니다[25].
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a 샘플의 XRD 패턴 그룹 A~D, b 그룹 C, E 및 F
Cu 2+ 의 효과를 연구하려면 제품에 대한 농도, 그룹 C, E, F에 있는 샘플의 XRD 패턴은 그림 3b에 나와 있습니다. Cu 2+ 로 농도가 점차 증가함에 따라 Cu 결정 회절 피크의 강도가 그에 따라 증가하여 목재 템플릿에서 더 많은 Cu NP가 생성되었음을 나타냅니다. 결정자 크기는 Scherrer 방정식을 사용하여 계산되었습니다.
$$ D=\frac{K\lambda}{\beta \cos \theta } $$여기서 D 결정자 크기, k 는 Scherrer 상수(입자가 구형이라고 가정할 때 =0.94), λ는 X선 복사의 파장(0.15418 nm), β는 반값 피크의 전체 폭, θ는 회절각[10] .
Cu NP의 평균 직경은 (110), (200), (220)의 피크에 따라 계산되었습니다. 샘플 C, E, F에서 Cu NP의 평균 입자 크기는 각각 약 19.5, 19.7, 21.3nm로 추정되었습니다(표 2). Cu 2+ 의 농도는 나무의 계층 구조가 Cu NP의 성장을 제한하기 때문에 파생된 Cu NP는 유사한 입자 크기를 나타냈습니다.
주변 조건에서 1년 동안 보관한 후 목재 샘플에서 Cu 나노입자의 안정성과 입자 크기를 평가했습니다. 그림 4는 그룹 C, E, F에 있는 샘플의 XRD 패턴을 표시합니다. 목재 샘플에서 Cu NP의 주요 신호는 그림 3에 표시된 것과 유사했습니다. 38.9°에서 나타나는 작은 피크만 CuO와 관련될 수 있습니다(그림 4의 화살표 참조). 표 2에서 샘플 C, E, F에서 Cu NP의 평균 입자 크기는 초기 크기와 유사했습니다. 일원 분산 분석에 따르면 보관 후 유의한 변화는 없었습니다. 이러한 결과는 목재 구조에서 Cu NP의 높은 안정성을 나타냅니다. 따라서 목재의 원래 구조와 구성 요소의 보호 효과로 인해 목재 템플릿을 사용하면 산화 및 응집 문제를 피할 수 있습니다. 또한, 목재 표면의 산화층이 내부 Cu NP의 안정성에 기여할 수도 있습니다.
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주변 조건에서 1년 보관 후 그룹 C, E, F의 XRD 패턴
Cu 나노구조의 형태는 FE-SEM을 통해 평가되었습니다. 모든 샘플은 그림 5와 같이 유사한 조립된 구조와 Cu 나노구조의 형태를 나타냈습니다. 또한 셀 루미나의 벽에는 많은 2차 구조가 부착되어 있습니다. 그림 5b, c는 구조의 배율을 표시합니다. 깨끗한 나무 세포 내강 벽은 그림 1b와 같이 매끄 럽습니다. 따라서 세포 내강 벽의 덩어리는 EDS 분석에 의해 확인된 Cu NP의 집합일 수 있습니다(그림 6). 목재의 등방성 구조로 인해 조립품이 방향을 잡았고 이는 재료의 이방성 특성을 설명할 수 있었습니다[23].
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포플러 목재 구조(그룹 F)에서 Cu NP의 FE-SEM 관찰. 아 나무 세포 내강을 따라 형성된 Cu 나노구조. ㄴ , ㄷ Cu 나노구조의 배율
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목재 구조에서 Cu 분포의 SEM/EDS 분석. 상단 라인은 목재 루멘 벽의 2차 구조 분석이고 하단 라인은 목재 루멘 벽의 주요 구조 분석입니다.
그림 7은 나무 구덩이에서 나노구조의 FE-SEM 관찰을 보여줍니다. 세포 내강의 것과 대조적으로, 구덩이의 Cu NP는 직경이 1~2.5μm인 작은 구형 덩어리로 조립되었습니다. 그림 7b의 확대된 이미지에서 직경이 <500nm인 더 작은 덩어리가 피트 구조의 벽에 부착되었습니다. 이러한 작고 구형의 덩어리는 목재 구덩이 구조의 억제 효과에 기인할 수 있습니다. 목재의 고유한 구조를 활용하여 NP를 합성하고 결정화에 어느 정도 영향을 미칠 수 있었습니다. 여기서 NP는 더 이상 템플릿이 없을 때 고전적인 침전 반응에서 얻은 일반적으로 발생하는 형태와 닮지 않았습니다. 반면, 포플러 나무는 촉매, 광학, 항균 및 Cu NP의 전기 전도성 특성을 부여받을 수 있어 목재 응용 분야를 확장할 수 있습니다. 이전 연구에서는 대부분의 Cu NP가 너무 커서 목재 구조를 관통하지 못하고 분포가 고르지 않다고 제안했습니다. 그럼에도 불구하고, 이 방법은 현장 화학 합성을 통해 균일한 잡종 목재 재료를 제조하기 위한 잠재적인 접근 방식을 제공할 수 있습니다.
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나무 구덩이에서 Cu NP의 FE-SEM 관찰(그룹 F). 아 2k 배율, b 10k 배율
그림 8은 원본 및 하이브리드 목재 재료의 UV-vis 확산 반사율 곡선을 보여줍니다. 잡종목재의 흡수강도는 대조군보다 높았다. 최대 흡수는 하이브리드 목재 재료의 경우 565nm에 도달했으며, 이는 더 많은 양의 Cu NP로 인해 그룹 E와 F에서 더 두드러졌습니다. 이 결과는 560~570nm 범위에서 보고된 암적색 Cu NP의 플라즈몬 밴드와 일치했습니다[35]. 도 9에서 대조군과 대조적으로 모든 그룹에서 처리된 샘플은 Escherichia coli에 대한 항균성을 나타내는 억제 영역을 명확하게 보여주었다. . 억제 구역의 평균 너비는 대조군 C, E, F에서 각각 0, 3.2, 4.8, 6.2mm였습니다. 명백하게, 목재 샘플에서 Cu 나노입자의 농도가 증가함에 따라 항균성이 증가하였다. 이러한 결과는 Cu NPs의 통합이 목재에 높은 항균성을 부여함을 나타냅니다. 따라서 Cu NP의 통합은 목재에 광학 및 항균 특성을 제공할 수 있으며 다른 잠재적 특성(예:[36]에 보고된 UV 저항성)도 도입될 수 있습니다.
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원래 목재 및 하이브리드 목재 재료의 UV-Vis 스펙트럼
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원목과 교잡목재의 항균 시험. 아 그룹 C. b 그룹 E. c 그룹 F
나무의 고유한 계층적, 이방성 아키텍처 및 전자가 풍부한 구성 요소를 활용하기 위해 순수한 Cu NP는 나무 템플릿 방법을 통해 고유한 모양과 크기로 파생되었습니다. Cu NP는 옥수수 속대와 같은 Cu 퇴적물로 구성된 목재 세포 루미나를 따라 3D 구조를 나타냈다. 나노 입자 제품은 초기 OH - 에 크게 의존했습니다. 집중. OH − 의 증가와 함께 농도, Cu2 O는 점차 감소하고 Cu는 남았다. Cu 2+ 로 농도가 점차 증가할수록 목재 구조에서 더 많은 Cu NP가 생성되었습니다. NP의 조립된 구조는 변함없이 나무 주형에서 옥수수 속대와 같은 Cu 침전물을 나타냈다. 목재의 독특한 구조와 구성 요소로 인해 Cu NP의 산화 및 응집을 피할 수 있습니다. 또한, 이 새로운 하이브리드 목재 재료는 목재 및 Cu 나노구조의 장점과 결합되어 놀라운 광학 및 항균 특성을 나타냈습니다.
나노물질
초록 다른 ZnO 나노구조는 저비용 화학조 증착을 사용하여 성장될 수 있습니다. 이 기술은 비용 효율적이고 유연하지만 최종 구조는 일반적으로 무작위로 배향되며 균질성과 표면 밀도 측면에서 거의 제어할 수 없습니다. 이 작업에서 우리는 나노로드의 형태와 밀도를 완전히 제어하기 위해 실리콘 기판을 패턴화(100)하기 위해 콜로이드 리소그래피를 사용합니다. 또한, 실리콘 기판과 ZnO 나노로드 사이의 격자 불일치를 보상하기 위해 졸-겔 준비된 ZnO 시드층을 사용하였다. 결과는 시드층에 증착된 패터닝된 레지스트 마스크의 지정된 개구부에
초록 그래핀 너머의 2차원(2D) 반도체는 가장 얇고 안정적인 알려진 나노물질을 나타냅니다. 21세기의 지난 10년 동안 제품군과 애플리케이션의 급속한 성장은 첨단 나노 및 광전자 기술에 전례 없는 기회를 가져왔습니다. 이 기사에서는 개발된 2D 나노 물질에 대한 최신 연구 결과를 검토합니다. 이러한 2차원 나노물질 및 이종구조의 고급 합성 기술을 요약하고 새로운 응용에 대해 논의했습니다. 제작 기술에는 최신 2D 반도체의 화학 기상 증착(CVD), 원자층 증착(ALD)에 특히 중점을 두고 비정질 및 결정질 2D 나노물질을 모두
