بفضل العلوم XG لالتبرعات السخية من ورقة الجرافين. بفضل الدكتور جيم فريدريش على السماح لنا بسخاء استخدام معدات الحفر الصغيرة. ويمتد شكر خاص لTayloria آدمز لسرد الفيديو.

1. افتعال هيكل 3D اللاصق الكهربائي / العزل <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> للطبقة 6 الجرافين،، وقطع 5 جهاز طبقة ورقة الشريط الجرافين مع مشرط أو شفرة حلاقة مماثلة والحاكم وارتفع الثابت إلى ست 0.7 سم × 1.5 سم المستطيلات واستخدام مقص لقطع الشريط الحساس للضغط على الوجهين إلى خمس 1.3 سم س ~ 5 سم المشارب. ملاحظة: كما هو مبين في الشكل 1A، وهذا ينتج الكهربائي 3 الأرض، 3 AC إشارة الجهاز الكهربائي. 7 ملم إجراء عرض طبقة ضيقة بما يكفي لتناسب على شريحة زجاجية، ولكن واسعة بما يكفي لسهولة الحفر. طول 2 ملم لا كسر بسهولة عند الاستخدام المتكرر ولديه مساحة كافية لنعلق أسلاك النحاس. عمق الجهاز يقتصر بواسطة أعماق نهاية مطحنة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> وضع الطبقة الأولى من ورقة الجرافين على شريحة زجاجية نظيفة. تغطية ببطء واحدة من نهاية ورقة الجرافين مع شريط واحد من الشريط، وترك هامش مم ~ 2 لضمان العزل بين اثنين من الجرافين المجاورة طبقات الورق (الشكل 1B </strong&gt;). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> وضع الطبقة الثانية من ورقة الجرافين على الجزء العلوي من الشريط الإزاحة إلى الطبقة الأولى من ورقة الجرافين (الشكل 1A). الضغط المعتدل (اضغط بشكل موحد مع الإبهام، ~ 100 N أكثر من 0.7 سم 2 مساحة) بعد إضافة كل طبقة إجراء لضمان حسن الختم بين الطبقات. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> كرر الخطوات من 1.2 و 1.3 للطبقات المتبقية، وترك كل من أعلى وأسفل طبقات ورقة الجرافين. قطع على طول الخط المنقط هو مبين في الشكل 1B لإزالة الشريط الزائدة من حواف الجهاز وترك الصغيرة ~ 1 ملم الهامش لضمان عزل مختومة بين الجرافين طبقات الورق (الشكل 1B). ملاحظة: لا يستخدم الشريط على الوجهين مثل أعلى وأسفل طبقات لتجنب جمع الحطام لأن هذا الهيكل مغلفة يتم حفرها، التي شنت على شريحة، ومليئة العينة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إجراء العزل اختبار سريع مع المتعدد (وضع المقاومة). ضع تحقيقات الإيجابية والسلبية على الجانبين مختلفة من الجهاز البريد (A و B على الشكل 1C)؛ مقاومة عالية (كيلو لميجا أوم) تشير العزل الجيد بين الطبقات. إزالة بنية الطبقات من شريحة زجاجية للتحضير لجيدا الصغرى الحفر. ملاحظة: فشل الجهاز عادة اختبار العزل عندما المتاخمة الجرافين طبقات الورق اجراء اتصالات خلال الخطوات 1.2 خلال 1.4. تجاهل مثل هذه الأجهزة. </li></ol> 2. حفر مايكرو جيدا في بنية مغلفة <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> استخدام آلة ميكانيكية طحن الصغرى الكمبيوتر التي تسيطر عليها واختيار نهاية مطحنة مع ميكرون في القطر 700 مم طول و 2.1 من الخفض. شل بنية مغلفة على المسرح الصغير الطحن باستخدام المشابك المناسب (أرقام 2A و ب). تشغيل آلة المغزل طحن في 8،600 دورة في الدقيقة، ثم خفض مطحنة نهاية ببطء إلى وعبر مركز بنية مغلفة. تحريك طاحونة نهاية الدورية صعودا وهبوطا من خلال جيدا الدقيقة لضمان سلاسة الجدار في الداخل. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> اختيار جيد الصغرىبأقطار، التي يعيقها المتاحة مطحنة نهاية قطرها / طول نسب خفض الجانب. تأكد من أن السطح الداخلي للبئر الصغيرة كما الرأسي ونظيفة ممكن لالتدرجات الحقل الكهربائي الأمثل ومرور الضوء من خلال الصغرى أيضا. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> الحطام نظيفة من بئر صغيرة مع الهواء المضغوط. أداء اختبار العزل آخر كما هو موضح في 1.5. </li></ol> 3. إرفاق الشراء الكهربائية لبنية مغلفة <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> شقين 3 سم طويلة 32 G الأسلاك النحاسية إلى الزاوية اليمنى في 2 سم. مزيج ~ 1.5 مل من الجزء ألف وباء من الفضة الايبوكسي موصل. ملاحظة: <img alt="المعادلة 1" fo:content-width="3in" src="/files/ftp_upload/51696/51696eq1.jpg" /></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تطبيق يدويا مختلطة الفضة الايبوكسي إلى الأعلى ونصائح من كل 3 طبقات الجرافين ورقة لضمان اتصال جيد بين طبقات على جانب ألف من بنية مغلفة (الشكل 1C)، ثم ضع 1 سم نهاية الأسلاك النحاسية في الايبوكسي وبين أي اثنين طبقات. مربع بهدوءueeze طبقات لإزالة الايبوكسي الزائدة وضمان الاتصال الكهربائية جيدة. تكرار لالجانب باء من هيكل مغلفة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> وضع الجهاز كله في رف الفرن، لتجف بين عشية وضحاها في 70 درجة مئوية و 1 أجهزة الصراف الآلي. </li></ol> 4. إعداد عينة وسائل الإعلام <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إعداد وسائل الاعلام متساوي التوتر من طائفة من التوصيلات باستخدام متر الموصلية، 290 ملي حل الأسهم مانيتول والإضافات مسلسل متساوي التوتر المالحة العازلة الفوسفات (PBS). ملاحظة: هناك علاقة خطية بين الموصلية وحجم تركيز ~ 290 الميلي أسمول / L PBS (إجراء) في الميلي أسمول ~ 290 / L مانيتول الحل (غير موصلة). ميزات الفيديو وسيلة لل0.01 S / م الموصلية. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> مزج الخرز البوليسترين مع وسائل الإعلام مستعدة الموصلية أو المياه النقية ه (~ 5 × 10 -6 S / م) ل1:50 المجلد: نسبة المجلد. هذا البروتوكول هو قابل للتكيف بسهولة إلى الخلايا البيولوجية كذلك. </li></ol> 5. تجربة إعداد وتشغيل الأجهزة <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> المشبك س الجهازn لشريحة زجاجية مع ضغط معتدل (الشكل 2D) باستخدام المشابك ورقة تعديل أو ما يعادلها. يجب أن تكون قريبة بما فيه الكفاية المواطئ إلى جيدا الجزئي لختم هيكل مغلفة إلى شريحة زجاجية منع تسرب العينة. المشبك وينبغي أن تندرج ضمن المرحلة المجهر مع الضغط الأمثل لأ) منع تشوه هيكل مغلفة، وب) ضمان عدم تسرب السائل الصغيرة أيضا. تشوه يغير الهندسة جيدا ومسار الضوء الحد استنساخ التجربة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> باستخدام حقنة صغيرة أو ما يعادلها، وضخ ببطء ~ 1 ميكرولتر من العينة في الدقيقة جيدا وتجنب إدخال أي فقاعات. تكرار الحقن إذا لزم الأمر، واستخدام الحرص على عدم تلف الجدران الصغيرة بشكل جيد مع إبرة حادة. قليلا يفيض جيدا الجزئي والانزلاق على الفور غطاء زجاجي فوق جيدا الدقيقة لإزالة السوائل الزائدة، ومنع التبخر، وضمان كميات استنساخه لكل تجربة. ملاحظة: هناك معلومات الماس glasscutter يعمل بشكل جيد لSCORه والكراك غطاء زجاجي لحجم. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تأمين microdevice مغلفة الانتهاء إلى مرحلة المجهر ونعلق الأسلاك الكهربائي وظيفة مولد لاثنين من النحاس يؤدي على الجهاز. في AxioVision (البرمجيات زايس)، انقر على زر لبدء تسجيل الكاميرا في طريقة اكتساب متعددة الأبعاد. بدء وظيفة مولد إشارة في فترة زمنية محددة بعد بدء تسجيل كاميرا CCD لتوثيق الاستجابات مع وبدون تطبيق الحقل الكهربائي. ملاحظة: هنا 100 هرتز إلى 10 ميغاهيرتز مع 15 V ذروة الذروة إشارة طبقت ووحظت التجارب في 10X التكبير في 1-200 فوق سطح شريحة زجاجية لمدة 2 ثانية دون الميدانية و~ 5 دقائق مع مجال تطبيقها. تم حفظ الصور رقميا في 1-5 إطارات في الثانية (في الثانية) لمزيد من التحليل. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> عند الانتهاء التجربة، إزالة الجهاز وتفكيك المشابك. تزج كل من شريحة زجاجية والجهاز في الماء والصابون، ثم يشطف جيدا. أجهزة إعادة استخدام حوالي 30 مرةو مع أداء ثابت. </li></ol> 6. تحليل البيانات ومعالجة الصور <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تحليل بيانات الصور مع برنامج المفضل، مثل يماغيج. حساب سرعة الجسيمات من النزوح بين الصور التوالي في خطوة وقت معين. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> حساب تجريبي القوة DEP والميدانية القائمة على القوة والسرعة لتجميع الاتجاهات ومقارنتها مع نظرية 29. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> قياس سرعة الجسيمات شعاعيا في الهندسة الدقيقة جيدا بما يتفق مع شكل التدرج الحقل الكهربائي. من الحافة الصغيرة جيدا إلى مركز، وتحديد 8 معالم مركزية تساوي الكهربية (350، 300، ... 50، 0 ميكرون)، والذي ينتج في 7 مناطق. ملاحظة: الوقت للجسيمات لاجتياز تم استخدام مسافة 50 ميكرومتر لحساب السرعة. عندما استدعى الاختلافات هندسية ذلك، تم تعديل ملامح كهرساوي قليلا. </li></ol>

والكتاب ليس لديهم الصراعات في الكشف عنها.

هذه المخطوطة تفاصيل بروتوكولات لافتعال طبقة الجرافين الرواية 6 و 5 طبقة الشريط microdevice. أبعد من ذلك، ويتضح تشغيل الجهاز عن طريق السلوكيات المرصودة DEP من 6.08 ميكرومتر الخرز البوليسترين جنبا إلى جنب مع نهج تحليل الجسيمات سرعة فريدة من نوعها، ذات الصلة هندسيا. هذا النهج تن?...

الجرافين هو مادة الرواية تشتهر خصائص عالية الجودة الإلكترونية والتطبيقات الكيميائية وجهاز الاستشعار البيولوجي المحتملة 1. وقد استخدمت nanoplatelets الجرافين للحصول على الدعم المحفز 2، 3، 4 أجهزة الاستشعار، المكثفات الفائقة-5، والأقطاب الكهربائية المركبة، بما في ذلك الجرافين / آنلين والمواد المركبة جسيمات متناهية الصغر السيليكون / الجرافين 6-8. توضح هذه المخطوطة الاستفادة من ورقة الجرافين كما أقطاب في فريدة ثلاثية الأبعاد (3D)، وجهاز ميكروفلويديك الطبقات. ومغلفة أقطاب رقة الجرافين مع ينسولاتيفي الشريط على الوجهين وغرفة حفر داخل التي كان يؤديها dielectrophoresis 3D AC من الخرز البوليسترين. Dielectrophoresis (DEP) يشير إلى حركة الجزيئات قطوب ضمن الحقول الكهربائية غير موحدة. يحدث DEP إيجابية (pDEP) أو DEP السلبية (NDEP) عندما الجسيمات هي أكثر أو أقل من قطوب المحيطة المتوسطة، دورة الفتشوبlting في التحرك نحو أقوى أو أضعف المجال الكهربائي، على التوالي. وقد استخدمت هذه الأداة كهربي غير الخطية للانفصال، والفرز، ومحاصرة، وتحديد الجزيئات والخلايا البيولوجية 9-15. قوة dielectrophoretic التي يعاني منها الجسيمات المستقطبة هي وظيفة من التدرج الحقل الكهربائي، نصف قطرها الجسيمات والشكل، والجسيمات خصائص عازلة بما في ذلك الموصلية والسماحية، فضلا عن وسائل الإعلام والموصلية السماحية. في التقليدية ثنائية الأبعاد (2D) DEP، حركة الجسيمات الأولية في الطائرة من التدرج الحقل الكهربائي بين الأقطاب الكهربائية عادة شكلت سطح microfabricated؛ الحركة في الاتجاه الرأسي لا يكاد يذكر بالمقارنة مع الاتجاهات في الطائرة في معظم الأجهزة. ومع ذلك، وتسخير هذا البعد الثالث من التدرجات مجال كهربائي ل3D DEP يسمح للأعلى عينة الإنتاجية ويزيد من براعة تصميم فصل dielectrophoretic الجديدة والمحسنة التي تدفق هو TRAVERSE إلى الميدان التدرجات 16، 17. وتشمل تصاميم محددة أخرى 3D القائم على عازل DEP 18، 3D الكربون القطب DEP 13، 19، و 3D الكهربائي DEP 10. كما يتضح من البحث في هياكل 3D، مثل هذه الأجهزة يمكن أن تعمل في وضع التدفق المستمر لتحقيق أعلى الانتاجية. ويتحقق رصد حركة الجسيمات 3D في الجهاز لدينا 3D الطبقات بوصفها وظيفة من وتيرة والموصلية المتوسطة عبر المجهر الضوئي على ارتفاعات مختلفة التنسيق. Fatoyinbo وآخرون. ذكرت أول DEP في 3D مغلفة هيكل القطب / العزل باستخدام مكدسة بدلا من 30 ميكرون رقائق الألومنيوم و 150 ميكرومتر الايبوكسي الأفلام الراتنج 20. هوبنر آخرون. ثم تصميم أقطاب مماثلة مغلفة 3D مع 35 ميكرون الشريط النحاس و 118 ميكرومتر بوليميد لاصق 21. هذا العمل يستعير تصميم 3D جيدا 22، 23، ويستخدم فريد راحة 50 ميكرون ورقة الجرافين كما طبقات وإجراء 100 ميكرون الشريط على الوجهين كما الطبقات العازلة، التي حققت الختم والتدريع الكهربائية كافية. الجرافين رقة براعة هو ميزة واضحة عن الأجهزة بالغة الصغر القطب 3D لأن nanoplatelets الجرافين لديها القدرة على العمل في وقت واحد كما أجهزة الاستشعار، والتي أثبتت هذه المجموعة سابقا 24. التدرجات مجال تحقيق داخل الجرافين ورقة / البوليمر مغلفة الأجهزة بالغة الصغر 3D تعتمد على الأبعاد الصغيرة بشكل جيد، ورقة الجرافين طبقات، وتطبيق الحقل الكهربائي. وتشمل أبعاد حرجة التباعد العمودي الكهربائي (إجراء والعزل سمك طبقة) وقطرها الصغير بشكل جيد وارتفاع (يحددها طبقات مكدسة). يمكن ضبطها إشارة كهربائية عبر السعة والتردد. هيكل الجهاز الحالي هو لتشغيل الدفعة، ولكن يمكن أن يكون متلائما مع جهاز التدفق المستمر. القوات المسلحة البوروندية الجهازتقنية rication الموصوفة هنا هو مناسبة لتطوير مغلفة 3D الأقطاب مع مجموعة واسعة من خصائص الجرافين nanoplatelet ببساطة عن طريق تبادل ورقة الجرافين المستخدمة. مزايا استخدام ورقة الجرافين هي براعة من الخصائص الفيزيائية والكيميائية، وخفض النفقات، ويمكن أن تتصرف بشكل متزامن nanoplatelets الجرافين كما أجهزة الاستشعار للكشف عن مجموعة واسعة من bioanalytes 24. أهداف طويلة الأجل لنظم DEP 3D إنتاجية عالية في تحديد أنواع الخلايا بسرعة 25-27، أو تحقيق خالية من التسمية، بوساطة كهربائيا الفرز خلية من الخلايا المريضة من السكان من الخلايا السليمة 28. يوضح هذه الورقة التحسين المادي وإعداد وتشغيل الجهاز تليها التوضيح وتحليل نتائج نموذجية.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="552">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Reagents</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Name of Reagent</td>
			<td>Company</td>
			<td>Catalogue Number</td>
			<td>Comments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polystyrene Beads</td>
			<td>Spherotech, Inc.</td>
			<td>PP-60-10</td>
			<td>6.08 um diameter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Graphene paper</td>
			<td>XG Sciences, Inc.</td>
			<td>XG Leaf B-072</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Double sided tape</td>
			<td>3M</td>
			<td>N/A</td>
			<td>136 office tape</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silver conductive epoxy</td>
			<td>MG chemicals</td>
			<td>8331-14G</td>
			<td>Part A &#38;B included</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mannitol</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>091M0020V</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phosphate buffer saline</td>
			<td>OmniPur</td>
			<td>0381C490</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Equipment:</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Name of equipment&#160;</td>
			<td>Company</td>
			<td>Catalogue Number</td>
			<td>Comments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope&#160;&#160;&#160;&#160; (CCD Camera)</td>
			<td>Zeiss</td>
			<td>Axiovert 200M</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Function/waveform generator</td>
			<td>Agilent</td>
			<td>33250A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe</td>
			<td>Hamilton</td>
			<td>84505</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Paper Clamp</td>
			<td>ADAMS</td>
			<td>3300-50-3848</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oven</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>280A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Multimeter</td>
			<td>OMEGA</td>
			<td>HHM25</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micro-milling machine</td>
			<td>AEROTECH</td>
			<td>ABL1500 stages/A3200 Npaq controller</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>End mill</td>
			<td>ULTRATOOL</td>
			<td>708473</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AxioVision</td>
			<td>Zeiss</td>
			<td>Version4.8</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

development of a 3d graphene electrode dielectrophoretic device

يوصف تصميم وتصنيع و3D رواية القطب microdevice باستخدام 50 ميكرون ورقة الجرافين سميكة و 100 ميكرون الشريط مزدوجة من جانب. تفاصيل البروتوكول إجراءات لبناء تنوعا، قابلة لإعادة الاستخدام، وطبقة متعددة، وغرفة dielectrophoresis مغلفة. على وجه التحديد، وستة طبقات من 50 ميكرون العاشر 0.7 سم × 2 سم ورقة الجرافين وخمس طبقات من الشريط مزدوجة من جانب وبالتناوب مكدسة معا، ثم فرضت على شريحة زجاجية. ثم تم حفر 700 ميكرون القطر الصغير جيدا من خلال هيكل مغلفة باستخدام آلة الحفر الصغيرة التي تسيطر عليها الكمبيوتر. وأكد العازلة خصائص طبقة الشريط بين طبقات الجرافين المجاورة عن طريق اختبارات مقاومة. الفضة الايبوكسي موصل متصل طبقات بديلة من الورق الجرافين وشكلت اتصالات مستقرة بين ورقة الجرافين والخارجية أقطاب الأسلاك النحاسية. ثم فرضت الجهاز النهائي ومختومة إلى شريحة زجاجية. كان على غرار التدرج الحقل الكهربائي داخل رانه جهاز متعدد الطبقات. وقد أظهرت السلوكيات Dielectrophoretic من 6 ميكرومتر الخرز البوليسترين في 1 ملم العميق الصغرى جيدا، مع التوصيلات المتوسطة التي تتراوح بين 0.0001 S / م إلى 1.3 S / م، وتطبيقها ترددات إشارة من 100 هرتز إلى 10 ميجا هرتز. وقد لوحظت استجابات dielectrophoretic السلبية في ثلاثة أبعاد على معظم مساحة الموصلية التردد وعبر أكثر من القيم تردد تتسق مع القيم الأدب ذكرت سابقا. لم الجهاز لم يمنع AC electroosmosis والكهروحرارية التدفقات، التي وقعت في المناطق المنخفضة والعالية التردد، على التوالي. ورقة الجرافين المستخدمة في هذا الجهاز هي متعددة ويمكن أن يعمل لاحقا على أنها جهاز الاستشعار البيولوجي بعد الأوصاف dielectrophoretic كاملة.

وأجريت التجارب على Dielectrophoretic 6 حبات البوليستيرين ميكرومتر في 0.38 مم 3 اسطوانية صغيرة أيضا. تثبت النتائج أن 3D مغلفة الجهاز الورقية الجرافين يمكن أن توضح التوقيعات dielectrophoretic مماثلة لأجهزة احباط 3D معدنية مغلفة 20، 21، التقليدية 2D معدنية القطب 26 و 27، والأجه...

Watch this Scientific Journal Video about Development of a 3D Graphene Electrode Dielectrophoretic Device at JoVE.com

Development of a 3D Graphene Electrode Dielectrophoretic Device

ويستخدم microdevice مع إمكانات إنتاجية عالية لإثبات ثلاثية الأبعاد (3D) dielectrophoresis (DEP) مع المواد الجديدة. الجرافين رقة nanoplatelet والشريط مزدوجة من جانب كانت مكدسة بالتناوب؛ تم حفر 700 ميكرون الصغيرة جيدا عرضية إلى طبقات. وقد تجلى السلوك DEP من الخرز البوليسترين في الدقيقة جيدا.

تطوير جهاز 3D الجرافين الكهربائي Dielectrophoretic

The design and fabrication of a novel 3D electrode microdevice using 50 &#181;m thick graphene paper and 100 &#181;m double sided tape is described. The ...

development-of-a-3d-graphene-electrode-dielectrophoretic-device

Research

JoVE Journal

Engineering

11.9K Views.  Michigan Technological University.  ويستخدم microdevice مع إمكانات إنتاجية عالية لإثبات ثلاثية الأبعاد (3D) dielectrophoresis (DEP) مع المواد الجديدة. الجرافين رقة nanoplatelet والشريط مزدوجة من جانب كانت مكدسة بالتناوب؛ تم حفر 700 ميكرون الصغيرة جيدا عرضية إلى طبقات. وقد تجلى السلوك DEP من الخرز البو...

Video: Development of a 3D Graphene Electrode Dielectrophoretic Device

Probing and Mapping Electrode Surfaces in Solid Oxide Fuel Cells

Solid oxide fuel cells (SOFCs) are potentially the most efficient and cost-effective solution to utilization of a wide variety of fuels beyond hydrogen 1-7. The performance of SOFCs and the rates of many chemical and energy transformation processes in energy storage and conversion devices in general are limited primarily by charge and mass transfer along electrode surfaces and across interfaces. Unfortunately, the mechanistic understanding of these processes is still lacking, due largely to the difficulty of characterizing these processes under in situ conditions. This knowledge gap is a chief obstacle to SOFC commercialization. The development of tools for probing and mapping surface chemistries relevant to electrode reactions is vital to unraveling the mechanisms of surface processes and to achieving rational design of new electrode materials for more efficient energy storage and conversion2. Among the relatively few in situ surface analysis methods, Raman spectroscopy can be performed even with high temperatures and harsh atmospheres, making it ideal for characterizing chemical processes relevant to SOFC anode performance and degradation8-12. It can also be used alongside electrochemical measurements, potentially allowing direct correlation of electrochemistry to surface chemistry in an operating cell. Proper in situ Raman mapping measurements would be useful for pin-pointing important anode reaction mechanisms because of its sensitivity to the relevant species, including anode performance degradation through carbon deposition8, 10, 13, 14 ("coking") and sulfur poisoning11, 15 and the manner in which surface modifications stave off this degradation16. The current work demonstrates significant progress towards this capability. In addition, the family of scanning probe microscopy (SPM) techniques provides a special approach to interrogate the electrode surface with nanoscale resolution. Besides the surface topography that is routinely collected by AFM and STM, other properties such as local electronic states, ion diffusion coefficient and surface potential can also be investigated17-22. In this work, electrochemical measurements, Raman spectroscopy, and SPM were used in conjunction with a novel test electrode platform that consists of a Ni mesh electrode embedded in an yttria-stabilized zirconia (YSZ) electrolyte. Cell performance testing and impedance spectroscopy under fuel containing H2S was characterized, and Raman mapping was used to further elucidate the nature of sulfur poisoning. In situ Raman monitoring was used to investigate coking behavior. Finally, atomic force microscopy (AFM) and electrostatic force microscopy (EFM) were used to further visualize carbon deposition on the nanoscale. From this research, we desire to produce a more complete picture of the SOFC anode.

We present a unique platform for characterizing electrode surfaces in solid oxide fuel cells (SOFCs) that allows simultaneous performance of multiple characterization techniques (e.g. in situ Raman spectroscopy and scanning probe microscopy alongside electrochemical measurements). Complementary information from these analyses may help to advance toward a more profound understanding of electrode reaction and degradation mechanisms, providing insights into rational design of better materials for SOFCs.

التحقيق ورسم الخرائط أسطح الكهربائي في خلايا الوقود الصلبة أكسيد

Solid oxide fuel cells (SOFCs) are potentially the most efficient and cost-effective solution to utilization of a wide variety of fuels beyond hydrogen ...

Ultrasound Velocity Measurement in a Liquid Metal Electrode

A growing number of electrochemical technologies depend on fluid flow, and often that fluid is opaque. Measuring the flow of an opaque fluid is inherently more difficult than measuring the flow of a transparent fluid, since optical methods are not applicable. Ultrasound can be used to measure the velocity of an opaque fluid, not only at isolated points, but at hundreds or thousands of points arrayed along lines, with good temporal resolution. When applied to a liquid metal electrode, ultrasound velocimetry involves additional challenges: high temperature, chemical activity, and electrical conductivity. Here we describe the experimental apparatus and methods that overcome these challenges and allow the measurement of flow in a liquid metal electrode, as it conducts current, at operating temperature. Temperature is regulated within &#177;2 &#176;C using a Proportional-Integral-Derivative (PID) controller that powers a custom-built furnace. Chemical activity is managed by choosing vessel materials carefully and enclosing the experimental setup in an argon-filled glovebox. Finally, unintended electrical paths are carefully prevented. An automated system logs control settings and experimental measurements, using hardware trigger signals to synchronize devices. This apparatus and these methods can produce measurements that are impossible with other techniques, and allow optimization and control of electrochemical technologies like liquid metal batteries.

Ultrasound velocimetry is used to study mixing by fluid flow in liquid metal electrodes. The focus of this manuscript is to illustrate the methods used for making precise, spatially-resolved ultrasound measurements while limiting oxidation and controlling and monitoring temperature, applied current, and the heater power being supplied.

الموجات فوق الصوتية قياس السرعة في المعدن السائل الكهربائي

A growing number of electrochemical technologies depend on fluid flow, and often that fluid is opaque. Measuring the flow of an opaque fluid is inherently ...

Energy Dispersive X-ray Tomography for 3D Elemental Mapping of Individual Nanoparticles

Energy dispersive X-ray spectroscopy within the scanning transmission electron microscope (STEM) provides accurate elemental analysis with high spatial resolution, and is even capable of providing atomically resolved elemental maps. In this technique, a highly focused electron beam is incident upon a thin sample and the energy of emitted X-rays is measured in order to determine the atomic species of material within the beam path. This elementally sensitive spectroscopy technique can be extended to three dimensional tomographic imaging by acquiring multiple spectrum images with the sample tilted along an axis perpendicular to the electron beam direction.
Elemental distributions within single nanoparticles are often important for determining their optical, catalytic and magnetic properties. Techniques such as X-ray tomography and slice and view energy dispersive X-ray mapping in the scanning electron microscope provide elementally sensitive three dimensional imaging but are typically limited to spatial resolutions of &gt; 20 nm. Atom probe tomography provides near atomic resolution but preparing nanoparticle samples for atom probe analysis is often challenging. Thus, elementally sensitive techniques applied within the scanning transmission electron microscope are uniquely placed to study elemental distributions within nanoparticles of dimensions 10-100 nm.
Here, energy dispersive X-ray (EDX) spectroscopy within the STEM is applied to investigate the distribution of elements in single AgAu nanoparticles. The surface segregation of both Ag and Au, at different nanoparticle compositions, has been observed.

The use of energy dispersive X-ray tomography in the scanning transmission electron microscope to characterize elemental distributions within single nanoparticles in three dimensions is described.

التصوير المقطعي الطاقة المتشتتة الأشعة السينية ل3D عنصري رسم الخرائط من الجسيمات النانوية الفردية

Energy dispersive X-ray spectroscopy within the scanning transmission electron microscope (STEM) provides accurate elemental analysis with high spatial ...

Synthesis and Functionalization of 3D Nano-graphene Materials: Graphene Aerogels and Graphene Macro Assemblies

Efforts to assemble graphene into three-dimensional monolithic structures have been hampered by the high cost and poor processability of graphene. Additionally, most reported graphene assemblies are held together through physical interactions (e.g., van der Waals forces) rather than chemical bonds, which limit their mechanical strength and conductivity. This video method details recently developed strategies to fabricate mass-producible, graphene-based bulk materials derived from either polymer foams or single layer graphene oxide. These materials consist primarily of individual graphene sheets connected through covalently bound carbon linkers. They maintain the favorable properties of graphene such as high surface area and high electrical and thermal conductivity, combined with tunable pore morphology and exceptional mechanical strength and elasticity. This flexible synthetic method can be extended to the fabrication of polymer/carbon nanotube (CNT) and polymer/graphene oxide (GO) composite materials. Furthermore, additional post-synthetic functionalization with anthraquinone is described, which enables a dramatic increase in charge storage performance in supercapacitor applications.

This video method describes the synthesis of high surface area, monolithic 3D graphene-based materials derived from polymer precursors as well as single layer graphene oxide.

التوليف وFunctionalization من 3D مواد النانو الجرافين: الجرافين Aerogels والجرافين جمعيات الكلية

Efforts to assemble graphene into three-dimensional monolithic structures have been hampered by the high cost and poor processability of graphene. ...

Non-aqueous Electrode Processing and Construction of Lithium-ion Coin Cells

Research into new and improved materials to be utilized in lithium-ion batteries (LIB) necessitates an experimental counterpart to any computational analysis. Testing of lithium-ion batteries in an academic setting has taken on several forms, but at the most basic level lies the coin cell construction. In traditional LIB electrode preparation, a multi-phase slurry composed of active material, binder, and conductive additive is cast out onto a substrate. An electrode disc can then be punched from the dried sheet and used in the construction of a coin cell for electrochemical evaluation. Utilization of the potential of the active material in a battery is critically dependent on the microstructure of the electrode, as an appropriate distribution of the primary components are crucial to ensuring optimal electrical conductivity, porosity, and tortuosity, such that electrochemical and transport interaction is optimized. Processing steps ranging from the combination of dry powder, wet mixing, and drying can all critically affect multi-phase interactions that influence the microstructure formation. Electrochemical probing necessitates the construction of electrodes and coin cells with the utmost care and precision. This paper aims at providing a step-by-step guide of non-aqueous electrode processing and coin cell construction for lithium-ion batteries within an academic setting and with emphasis on deciphering the influence of drying and calendaring.

Non-aqueous electrode processing is central to the construction of coin cells and the evaluation of new electrode chemistries for lithium-ion batteries. A step-by-step guide to the basic practices needed as an electrochemical engineer working with batteries in an academic experimental setting is furnished.

تجهيز الكهربائي غير مائي وبناء خلايا بطارية ليثيوم أيون كوين

Research into new and improved materials to be utilized in lithium-ion batteries (LIB) necessitates an experimental counterpart to any computational ...

A 3D-printed Chamber for Organic Optoelectronic Device Degradation Testing

In this manuscript, we outline the manufacture of a small, portable, easy-to-use atmospheric chamber for organic and perovskite optoelectronic devices, using 3D-printing. As these types of devices are sensitive to moisture and oxygen, such a chamber can aid researchers in characterizing the electronic and stability properties. The chamber is intended to be used as a temporary, reusable, and stable environment with controlled properties (including humidity, gas introduction, and temperature). It can be used to protect air-sensitive materials or to expose them to contaminants in a controlled way for degradation studies. To characterize the properties of the chamber, we outline a simple procedure to determine the water vapor transmission rate (WVTR) using relative humidity as measured by a standard humidity sensor. This standard operating procedure, using a 50% infill density of polylactic acid (PLA), results in a chamber that can be used for weeks without any significant loss of device properties. The versatility and ease of use of the chamber allows it to be adapted to any characterization condition that requires a compact-controlled atmosphere.

Here, we present a protocol for the design, manufacture, and use of a simple, versatile 3D-printed and controlled atmospheric chamber for the optical and electrical characterization of air-sensitive organic optoelectronic devices.

دائرة المطبوعة 3D للأجهزة الإلكترونية البصرية العضوية اختبار تدهور

In this manuscript, we outline the manufacture of a small, portable, easy-to-use atmospheric chamber for organic and perovskite optoelectronic devices, ...

Three-electrode Coin Cell Preparation and Electrodeposition Analytics for Lithium-ion Batteries

As lithium-ion batteries find use in high energy and power applications, such as in electric and hybrid-electric vehicles, monitoring the degradation and subsequent safety issues becomes increasingly important. In a Li-ion cell setup, the voltage measurement across the positive and negative terminals inherently includes the effect of the cathode and anode which are coupled and sum to the total cell performance. Accordingly, the ability to monitor the degradation aspects associated with a specific electrode is extremely difficult because the electrodes are fundamentally coupled. A three-electrode setup can overcome this problem. By introducing a third (reference) electrode, the influence of each electrode can be decoupled, and the electrochemical properties can be measured independently. The reference electrode (RE) must have a stable potential that can then be calibrated against a known reference, for example, lithium metal. The three-electrode cell can be used to run electrochemical tests such as cycling, cyclic voltammetry, and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Three-electrode cell EIS measurements can elucidate the contribution of individual electrode impedance to the full cell. In addition, monitoring the anode potential allows the detection of electrodeposition due to lithium plating, which can cause safety concerns. This is especially important for the fast charging of Li-ion batteries in electric vehicles. In order to monitor and characterize the safety and degradation aspects of an electrochemical cell, a three-electrode setup can prove invaluable. This paper aims to provide a guide to constructing a three-electrode coin cell setup using the 2032-coin cell architecture, which is easy to produce, reliable, and cost-effective.

Three-electrode cells are useful in studying the electrochemistry of lithium-ion batteries. Such an electrochemical setup allows the phenomena associated with the cathode and anode to be decoupled and examined independently. Here, we present a guide for construction and use of a three-electrode coin cell with emphasis on lithium plating analytics.

إعداد الخلية عمله ثلاثة-القطب وتحليلات اليكتروديبوسيشن لبطاريات الليثيوم أيون

As lithium-ion batteries find use in high energy and power applications, such as in electric and hybrid-electric vehicles, monitoring the degradation and ...

A Standard and Reliable Method to Fabricate Two-Dimensional Nanoelectronics

Two-dimensional (2D) materials have attracted huge attention due to their unique properties and potential applications. Since wafer scale synthesis of 2D materials is still in nascent stages, scientists cannot fully rely on traditional semiconductor techniques for related research. Delicate processes from locating the materials to electrode definition need to be well controlled. In this article, a universal fabrication protocol required in manufacturing nanoscale electronics, such as 2D quasi-heterojunction bipolar transistors (Q-HBT), and 2D back-gated transistors are demonstrated. This protocol includes the determination of material position, electron beam lithography (EBL), metal electrode definition, et al. A step by step narrative of the fabrication procedures for these devices are also presented. Furthermore, results show that each of the fabricated devices has achieved high performance with high repeatability. This work reveals a comprehensive description of process flow for preparing 2D nano-electronics, enables the research groups to access this information, and pave the way toward future electronics.

The article aims to introduce a standard and reliable fabrication procedure for the development of future low dimensional nanoelectronics.

طريقة قياسية وموثوقة لاختلاق النانو ثنائي الأبعاد

Two-dimensional (2D) materials have attracted huge attention due to their unique properties and potential applications. Since wafer scale synthesis of 2D ...

Method Development for Contactless Resonant Cavity Dielectric Spectroscopic Studies of Cellulosic Paper

The current analytical techniques for characterizing printing and graphic arts substrates are largely ex situ and destructive. This limits the amount of data that can be obtained from an individual sample and renders it difficult to produce statistically relevant data for unique and rare materials. Resonant cavity dielectric spectroscopy is a non-destructive, contactless technique which can simultaneously interrogate both sides of a sheeted material and provide measurements which are suitable for statistical interpretations. This offers analysts the ability to quickly discriminate between sheeted materials based on composition and storage history. In this methodology article, we demonstrate how contactless resonant cavity dielectric spectroscopy may be used to differentiate between paper analytes of varying fiber species compositions, to determine the relative age of the paper, and to detect and quantify the amount of post-consumer waste (PCW) recycled fiber content in manufactured office paper.

A protocol for the non-destructive analysis of the fiber content and relative age of paper.

تطوير الأسلوب للحصول علي تماس الرنانة تجويف الرنين عازله الدراسات الطيفية للورق السليوليك

The current analytical techniques for characterizing printing and graphic arts substrates are largely ex situ and destructive. This limits the amount of ...

Production of a Strain-Measuring Device with an Improved 3D Printer

A traditional strain measurement sensor needs to be electrified and is susceptible to electromagnetic interference. In order to solve the fluctuations in the analog electrical signal in a traditional strain gauge operation, a new strain measurement method is presented here. It uses a photographic technique to display the strain change by amplifying the change of the pointer displacement of the mechanism. A visual polydimethylsiloxane (PDMS) lens with a focal length of 7.16 mm was added to a smartphone camera to generate a lens group acting as a microscope to capture images. It had an equivalent focal length of 5.74 mm. Acrylonitrile butadiene styrene (ABS) and nylon amplifiers were used to test the influence of different materials on the sensor performance. The production of the amplifiers and PDMS lens is based on improved 3D printing technology. The data obtained were compared with the results from finite element analysis (FEA) to verify their validity. The sensitivity of the ABS amplifier was 36.03 &plusmn; 1.34 &#181;&epsilon;/&#181;m, and the sensitivity of the nylon amplifier was 36.55 &plusmn; 0.53 &#181;&epsilon;/&#181;m.

This work presents a strain measurement sensor consisting of an amplification mechanism and a polydimethylsiloxane microscope manufactured using an improved 3D printer.

إنتاج جهاز قياس السلالة مع طابعة ثلاثية الأبعاد محسنة

A traditional strain measurement sensor needs to be electrified and is susceptible to electromagnetic interference. In order to solve the fluctuations in ...