xxiii πανελληνιο ÏƒÏ Î½ÎµÎ´ÏÎ¹Î¿ Ï†Ï ÏƒÎ¹ÎºÎ·Ï‚ στερεας καταστασης & επιστημης ...

Υδατοδιαλυτοί Νανοσωλήνες Άνθρακα Μέσω Διεργασιών
Οξειδοαναγωγικού Ριζικού Πολυμερισμού
Σίμος Παπάζογλου 1 , Διαμαντούλα Λάμπου 2 , Γεωργία Κανδυλιώτη 2 , Δημήτριος Τάσης 1 και Κωνσταντίνος Παπαγγελής 1*
1 Τμήμα Επιστήμης Υλικών, Πανεπιστήμιο Πατρών, 26504 Ρίο Πάτρας
2 ΕΙΧΗΜΥΘ, 26504 Ρίο Πάτρας
*kpapag@upatras.gr
Η δυναμική των νανοσωλήνων άνθρακα (ΝΑ) σε μία ποικιλία τεχνολογικών εφαρμογών, όπως ως ίνες ενίσχυσης σε σύνθετα
υλικά, έχει ήδη καταγραφεί στη διεθνή βιβλιογραφία [1]. Επιπλέον, σε πρόσφατες μελέτες έχει δειχθεί ότι οι ΝΑ δύναται να
παρουσιάζουν ερευνητικό ενδιαφέρον και στο πεδίο της βιο-ιατρικής επιστήμης [2]. Αρκετά ζητήματα όμως χρειάζονται
επίλυση ώστε οι γραφιτικοί νανοκύλινδροι να μπορέσουν να ενσωματωθούν σε λειτουργικές συσκευές πχ βιο-αισθητήρων.
Το αρχικό υλικό, όπως παράγεται από τους ειδικούς φούρνους, αποτελείται από περιπλεγμένους νανοσωλήνες που
αλληλεπιδρούν μέσω δυνάμεων van der Waals. Τα συσσωματώματα αυτά είναι πρακτικά αδιάλυτα σε όλη τη γκάμα των
ευρέως χρησιμοποιούμενων διαλυτών και αυτό έχει ως συνέπεια το δύσκολο χειρισμό του υλικού.
Ένας τρόπος να ξεμπλέξει κάποιος τους περιπλεγμένους ΝΑ σε προσωρινή βάση είναι να βαπτίσει ένα αιώρημα του
υλικού σε μπάνιο υπερήχων. Εναλλακτικά, μπορεί κάποιος να τροποποιήσει χημικά τα γραφιτικά τοιχώματα των ΝΑ,
προκαλώντας επιδιαλύτωση και σχηματισμό σταθερού διαλύματος/αιωρήματος [3]. Η χημική τροποποίηση του υλικού
μπορεί να γίνει μέσω γνωστών αντιδράσεων ομοιοπολικής προσθήκης στους διπλούς δεσμούς του γραφιτικού πλέγματος ή
μέσω φυσικής προσρόφησης χημικών ειδών λόγω υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων.
Όσο αφορά τη διαλυτότητα των ΝΑ, είναι λογικό να υποθέσουμε ότι η προσάρτηση μακρομοριακών αλυσίδων στη
γραφιτική επιφάνεια θα έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό τροποποιημένου υλικού με υψηλές τιμές διαλυτότητας. Η
ομοιοπολική προσάρτηση πολυμερικών αλυσίδων σε ΝΑ έχει επιτευχθεί με δύο συνθετικές προσεγγίσεις. Στην πρώτη,
αρχικά συντίθεται το πολυμερές με δραστική ομάδα στη μία άκρη του και ακολούθως συμβαίνει χημική αντίδραση μέσω
προσθήκης σε διπλό δεσμό των τοιχωμάτων των ΝΑ (grafting to). Στη δεύτερη, σε ένα αρχικό στάδιο οι ΝΑ τροποποιούνται
με λειτουργικές ομάδες-εκκινητές και ακολούθως λαμβάνει χώρα in situ πολυμερισμός παρουσία μονομερούς (grafting
from). Η τελευταία προσέγγιση θεωρείται πιο ελκυστική για το σχηματισμό σταθερών αιωρημάτων των ΝΑ, λόγω του πολύ
μικρότερου μεγέθους του μονομερούς για την αντίδραση με τους περιπλεγμένους νανοσωλήνες. Σε πρόσφατες μελέτες έχουν
αναφερθεί διάφοροι τύποι πολυμερισμών που έχουν εφαρμοστεί στη συνθετική προσέγγιση grafting from. Τέτοιοι είναι ο
ριζικός και ανιονικός πολυμερισμός [4,5].
Σχήμα 1. Συνθετική αλληλουχία ομοιοπολικής τροποποίησης νανοσωλήνων άνθρακα
Σε αυτή την εργασία, περιγράφουμε μία καινούρια συνθετική προσέγγιση για προσάρτηση υδρόφιλων πολυμερικών
αλυσίδων πολυ(ακρυλικού οξέος) σε ΝΑ μέσω διεργασιών οξειδοαναγωγικού ριζικού πολυμερισμού (βλέπε Σχήμα 1) [6].
Μία σειρά από φασματοσκοπικές τεχνικές χρησιμοποιήθηκαν για το χαρακτηρισμό των τροποποιημένων ΝΑ, όπως UV-Vis,
FTIR, AFM, SEM, XPS, TGA και Raman. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι σταθερά υδατικά αιωρήματα από τέλεια
απομονωμένους ΝΑ δύναται να σχηματιστούν, λόγω προσάρτησης των υδρόφιλων αλυσίδων στη γραφιτική επιφάνεια των
νανοκυλίνδρων. Επιπλέον, οι καρβοξυλικές ομάδες του πολυμερούς μπορούν να λειτουργήσουν ως χημικές γέφυρες για
περαιτέρω τροποποίηση του νανοσύνθετου υλικού ή και ως πυρήνες κρυστάλλωσης βιο-ανόργανων υλικών (ασβεστίτης) [7].
[1] Baughman R. H., Zakhidov A. A., de Heer W. A., Science 297 (2002) 787.
[2] Bianco A., Kostarelos K., Prato M., Curr. Opin. Chem. Biol. 9 (2005) 674.
[3] Tasis D., Tagmatarchis N., Bianco A., Prato M., Chem. Rev. 106 (2006) 1105.
[4] Yao Ζ., Braidy Ν., Botton G. Α., Adronov A., J. Amer. Chem. Soc. 125 (2003) 16015.
[5] Viswanathan G., Chakrapan N., Yang H., Wei B., Chung H., Cho K., Ryu C. Y., Ajayan P. M., J. Amer. Chem. Soc. 125
(2003) 9258.
[6] Tasis D., Papagelis K., Prato M., Kallitsis I., Galiotis C., Macromol. Rapid Commun. (2007) in press.
[7] Tasis D., Pispas S., Galiotis C., Bouropoulos N., Mater. Lett. (2007) in press.
189