天然の生成物であるヒトの毛髪の熱分解に基づいて、長くて中空のガラス状炭素マイクロファイバーが製造された。カーボンマイクロエレクトロメカニカルおよびカーボンナノエレクトロメカニカルシステム、またはC-MEMSおよびC-NEMSの2つの製造工程は、（i）炭素リッチなポリマー前駆体のフォトリソグラフィおよび（ii）パターン化ポリマー前駆体の熱分解である。
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この記事について
サマリー
要約
様々なマイクロ/ナノ構造構成を有する広範囲の炭素源が本質的に利用可能である。ここでは、人の毛髪に由来する長く中空のガラス状炭素マイクロファイバーを製造するための新規な技術が導入されている。長い中空炭素構造は、N 2雰囲気中で900℃で人毛の熱分解によって作製された。熱分解に起因する物理的および化学的変化を推定するために、走査型電子顕微鏡（SEM）および電子分散型X線分光法（EDX）を用いて、天然および熱分解されたヒトの毛髪の形態および化学組成を調べた。ラマン分光法を用いて、炭素微細構造のガラス質性を確認した。熱分解した毛髪の炭素を導入してスクリーン印刷した炭素電極を改質した。修飾された電極を、ドーパミンおよびアスコルビン酸の電気化学的検出に適用した。変形されたセンサの感知性能は、fiedセンサー。所望の炭素構造設計を得るために、カーボンマイクロ/ナノ電気機械システム（C-MEMS / C-NEMS）技術が開発された。最も一般的なC-MEMS / C-NEMS製造プロセスは、（i）フォトリソグラフィを用いて感光性ポリマーのような炭素に富むベース材料のパターニング; （ii）無酸素環境下でのパターン化ポリマーの熱分解による炭化。 C-MEMS / NEMSプロセスは、マイクロバッテリ、スーパーキャパシタ、グルコースセンサ、ガスセンサ、燃料電池、および摩擦電気ナノ発電機を含む様々な用途のためのマイクロ電子デバイスを開発するために広く使用されてきた。ここでは、SU8フォトレジストを用いた高アスペクト比の中実カーボンおよび中空炭素微細構造の最近の発展が議論されている。共焦点顕微鏡法およびSEMを用いて、熱分解中の構造収縮を調べた。ラマン分光法を用いて構造の結晶化度を確認し、元素の原子百分率熱分解前後の物質中のntをEDXを用いて測定した。
概要
カーボンナノチューブ（CNT）、グラファイト、ダイヤモンド、アモルファスカーボン、ロンズデライト、バックミンスターフラーレン（C 60 ）、フルメライト（C 540 ）、フラーレン（C 540 ）、およびこれらの混合物からなる群から選択される、 C 70 ）、およびガラス状炭素1,2,3,4が含まれる 。ガラス状炭素は、高い等方性を含むその物理的性質のために最も広く使用される同素体の1つである。また、良好な導電性、低い熱膨張係数、およびガス不透過性の特性を有する。
炭素構造を得るために、炭素に富む前駆物質を連続的に探索してきた。これらの前駆体は、人工材料または特定の形状で利用可能であり、廃棄物を含む天然製品であってもよい。様々なmicr o /ナノ構造は、自然界の生物学的または環境的プロセスによって形成され、従来の製造ツールを使用して作成することが極めて困難な独自の特徴をもたらす。この場合自然にパターニングが行われるので、天然および廃水炭化水素前駆体を用いたナノ材料の合成は、熱分解と呼ばれる不活性または真空雰囲気中での熱分解の簡単な一段階プロセスを用いて行うことができる。植物由来の前駆体および廃棄物（種子、繊維、および油、例えば、テレピン油、ゴマ油など）の熱分解または熱分解によって、高品質のグラフェン、単層CNT、多層CNTおよび....
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プロトコル
1.三次元人毛由来炭素構造体の作製
注記：個人用保護具を使用してください。機器を使用し、検査室の内部で作業するために、検査室の指示に従ってください。
- 採取した人毛を脱イオン水で洗浄し、N 2ガスで乾燥させて準備する。
- 平行な撚り線、クロスオーバー、2本の髪の毛を巻きつけるなど、必要に応じて髪を整えます。
- SU8を使用してシリコン基板に毛を付けたり、セラミックボートに直接入れてください。
- 髪に付着したシリコン基板またはボートを炉に入れる。
- 炉の電源を入れ、不活性ガス（N 2 ）タンクのバルブを開きます。
注：最適なガス流量はファーネスチューブの容積に依存します。 6Lの管容積に対して6L /分の流速を適用した。炉管内に完全に不活性な環境を確立するために、最適ガスfの1.5倍のガス流量低速を最初の15分間適用した。 - 最大熱分解温度、温度上昇率、不活性ガス流量などのパラメータを設定し、炉を運転します。
- たとえば、室温から300℃まで5℃/分の上昇率で温度を上げます。安定化のために300℃で1時間保持する。さらに温度を900℃に上げ、炭化のために1時間以上維持します。
- 炉を300℃まで10℃/分の速度で冷却し、炉のヒーターを止めます....
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結果
人毛由来中空炭素マイクロファイバーの製造プロセスの概略を図1に示す 。炭化されたヒトの毛髪を、SEMを用いて収縮を評価するために特徴付けた。毛の直径は、熱分解により82.88±0.003μmから31.42±0.003μmに縮小した。毛髪由来カーボンマイクロファイバーを用いて作製された様々なパターンの走査電子顕微鏡（SEM）画像を図2に示す。熱分解前後の毛髪に存在する元素の原子百分率を表1に示す 。この研究で使用された人間の髪は、炭素66.57％、酸素16.19％、窒素7.94％、硫黄9.14％、カルシウムなどの鉱物の割合が少なかった（原子百分率）。炭素および酸素の原子百分率は、熱分解後にそれぞれ80.84％および14.83％であることが判明した。毛髪bのラマン分光分析熱分解の前後に、 図3に示すように行った。熱分解後の毛髪には、DバンドおよびGバンドに対応する2.......
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ディスカッション
この論文では、天然前駆体材料または光パターニングされたポリマー構造体の熱分解に基づいて様々な炭素微細構造を製造する方法が報告されている。従来のC-MEMS / C-NEMSプロセスの両方から得られる炭素材料は、典型的にはガラス状炭素であることが判明している。ガラス状炭素は、電気化学および高温用途に広く使用される電極材料である。ガラス状炭素の微細構造は、結晶質領域と非晶質領域の両方からなる。ガラス状炭素は、高い導電性、高温に対する良好な耐性、低密度、低い電気抵抗、および比較的高い硬度および化学的攻撃に対する高い耐性を有する。
我々は、人間の毛髪から中空のガラス状カーボンマイクロファイバーを製造する簡単で低コストの方法を提案し、アスコルビン酸とドーパミンの電気化学的検出への応用を記載した。長い、ホールの製造低、かつ導電性のカーボンマイクロファイバーが、廃棄物である人間の毛髪の低コスト、一段階熱処理で可能であった。髄質、皮質、キューティクルからなる人間の髪の毛は、熱分解後に中空炭素繊維を生成した。髄質は消え、キューティクルと皮質は一緒になって長くて中空の炭素繊維を作り出した。人間の毛髪の.......
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開示事項
著者は何も開示することはない。
謝辞
この研究は、Technologico de Monterreyとカリフォルニア大学アーバイン校の支援を受けました。
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材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| SU8-2100 | Microchem | 品番-Y1110750500L | |
| スピナー | ローレル・テクノロジーズ | Model-WS650HZB-23NPP/UD3 | |
| ホットプレート | トーリーパインズサイエンティフィック | HS61 | |
| 紫外線露光器 | 水銀ランプ シルバニア | H44GS-100M, P/N-34-0054-01 | |
| フォトマスク | CAD/Art | 番号なし | |
| 開発者 | マイクロケム | Y020100 4000L | |
| DI水システム | Milli Q | Zooqovoto | |
| IPA | CTR Sientific | CTR 01244 | |
| N2ガス | AOC メキシコ | 番号なし | |
| 炉 | PEO 601、ATV Technologie GMBH | モデル-PEO 601、シリアル番号-195 | |
| Si/SiO2 | >Noel Technologies |
参考文献
- Wang, C., Jia, G., Taherabadi, L. H., Madou, M. J. A novel method for the fabrication of high-aspect ratio C-MEMS structures. J Microelectromech Syst. 14 (2), 348-358 (2005).
- Jong, K. P. D., Geus, J. W. Carbon nanofibers: catalytic synthesis and applications. Catal Rev Sci Eng. 42, 481-510 (2000).
- Elrouby, M. Electrochemical applications of carbon nanotube.
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再版と許可
