עבודה זו נתמכה על ידי NSF / DOE שותפות פלזמה מדע וטכנולוגיה (NSF גרנט מס &#39;CBET-0853777 ו DOE גרנט מס&#39; DE-SC0001169), אני STTR שלב בפרויקט (NSF STTR שלב I No.1010133). המחברים מבקשים להודות תוכנית PPPL מחוץ לאתר המחקר נתמך על ידי משרד האנרגיה של Fusion למדעי לתמיכה בניסויים קשת.

1. האנודה הכנה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ניקל אבקת קנה מידה (99.8%, 300 רשת) ואת אבקת איטריום (99.9%, 40 רשת) לפי הרדיו טוחנת של 4.2:1 כאבקה זרז. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מערבבים את אבקת זרז עם אבקת גרפיט (99.9995%, 200 רשת) טוב מאוד. מלאו את האבקה לתוך תערובת מוט גרפיט חלול (5 מ&quot;מ קוטר חיצוני, קוטר פנימי 2.5 מ&quot;מ אורך 75 מ&quot;מ) בתוקף. ודא רדיו טוחנת הכולל של C: ניקל: Y ב מוט האנודה היא 94.8:4.2:1, שהוא היחס האופטימלי לסנתז SWCNT 9. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התקנת קטודה מוט (גרפיט טהור, בקוטר 13 מ&quot;מ) ואת מוט האנודה ממולא בתוך חדר גלילי (נירוסטה, בקוטר 152 מ&quot;מ אורך 254 מ&quot;מ). כוון את המרחק והפער בין הקתודה לבין האנודה כ 3 מ&quot;מ. </li></ol> 2. תשתית התקנה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים מגנט קבוע קוביות סטנדרטיות (25 מ&quot;מ × 25 מ&quot;מ × 100 מ&quot;מ) בתוך החדר במרחק כ 25 מ&quot;מ מציר interelectrode. Ultra-High-Temp מאלניקו מגנט שימושבניסוי יש משקל של 650 גרם. השתמש בתצורת כאשר הפער interelectrode ממוקם במרחק של כ - H = 75 מ&quot;מ (איור 1 א) מהחלק התחתון של מגנט קבוע. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חותכים את 0.3 מ&quot;מ עובי מוליבדן המאזן (99.95%) כמו 25 מ&quot;מ × 100 מ&quot;מ צורה מלבנית. הסר את זיהום פני השטח על ידי dismembrator קולי אצטון ואתנול למשך 30 דקות עם אמפליטודה 50% sonicating, 150 כוח w פלט תדר 40 kHz. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התקן גיליון מוליבדן הצמדת צד אחד של מגנט קבוע, ולהפוך את הצד הזה לעבר האלקטרודות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מדידת השדה המגנטי בפער interelectrode ידי Gaussmeter. שמור את השדה המגנטי הממוצע בין האלקטרודות הוא בערך 0.06 T. </li></ol> 3. הצתה של קשת פלסמה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> משאבה את תא גלילי ללחץ פחות מ -10 -1 ואקום Torr, מילאתי ​​אותה עם הליום (99.995%) עד 500 Torr. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חיבור אלקטרודות קשת ל DC welding אספקת החשמל להקים את אספקת החשמל על קשת הנוכחי של א &#39;על 75 </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> רשום את הערכים בזמן אמת של קשת הנוכחי מתח קשת, והלחץ בחדר ניתוח שלאחר הניסוי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפעל את הווידאו של הקשתית מן viewports ימין הקדמי על ידי שתי מצלמות דיגיטליות בו זמנית. צילומים לאחר 1 השני של קשת החל מוצגים באיור 1b (מתוך viewport מימין) איור 1d (מהחזית viewport). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפעל את קשת למשך 15 שניות. תירגע קאמרית על ידי הסעה טבעית לפחות 20 דקות. </li></ol> 4. פוסט סינתזה ניתוח ואפיון <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש פינצטה לקרוע את פתית בתצהיר מפני השטח של גיליון מוליבדן היכן הסילון קשת פלזמות נוהלה. מדגם נוסף נאסף הצווארון השחור של הקתודה. שים את המורפולוגיה של שני הצדדים של פתית בתצהיר תחת SEM (מתח האצה של 30 KV היה בשימוש). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לגבי הכנת המדגם עבור<html> TEM ניתוח, סרטים דקים של המדגם התקבלו על ידי ירידה הליהוק השעיה של פתרון מתנול התפזרו SWCNT לאחר sonicating במשך 60 דקות באמצעות dismembrator קולי עם 50% sonicating משרעת. שים את המורפולוגיה של הסרט דק תחת TEM JEOL עם מתח של 100 KV לאחר volatilization פתרון מתנול. לתפקיד עניין המדגם, דפוס עקיפה אלקטרונים ניתן להשיג עם אורך המצלמה CCD של 50 ס&quot;מ הקשורים TEM. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ספקטרוסקופיית ראמאן בוצעה על מערכת מיקרו ראמאן המבוסס על 200 mW Lexel 3000 Ar יון לייזר (קו מתכונן פלט יחיד), עם אופטיקה הולוגרפית, ספקטרומטר 0.5 מ &#39;ו חנקן נוזלי מקורר גלאי CCD: גל 514 ננומטר אשר תואמת את אנרגיה של 2.33 eV. במדידות ראמאן מכוסה בטווח של 100 ס&quot;מ -1 ס&quot;מ -1 עד 3100, ו - בוצעו על פני השטח של פתיתי גראפן. </li></ol> 5. נציג תוצאות &quot;&gt; תמונות וידאו שהושגו בעת ובעונה אחת מן viewports ימין מול האולם מוצגים באיור 1b, ד עבור h = 75 מ&quot;מ. תמונות אלו ממחישות ההפרעות משמעותי של הטור קשת פלזמה בנוכחות של שדה מגנטי חיצוני בהשוואה עמודה קשת סימטרי axially צפו במקרה ללא שדה מגנטי 10. איור 2a ו-2b להציג את המורפולוגיה האופיינית של חלקיקים SWCNT ו זרז שנאספו על הצווארון של קטודה ללא השדה המגנטי עם השדה המגנטי של B = 0.06 Tesla תחת TEM, בהתאמה. ניתן לראות כי SWCNT עם השדה המגנטי קרובים, ארוזים בתוך חבילות עם בקטרים ​​הנעים 2-20 ננומטר בשל האינטראקציה ואן דר ואלס בין SWCNT בודדים. לשם השוואה, SWCNT ללא שדה מגנטי יש קוטר גדול יותר צרורות בודדים בקוטר גדול יותר, אשר עולה בקנה אחד עם ניתוח של ספקטרום ראמאן. כמו כן, השדה המגנטי can לגרום SWCNT עם טוהר גבוה מוצג איור 2a ו 2b. ההשפעה המעניינת ביותר של השדה המגנטי הוא פתיתי גראפן ניתן להשיג את פני השטח של פתיתי בתצהיר המקורב גיליון מוליבדן באותו תהליך. איור 2c ו 2d להראות SEM ו TEM תמונות של פתיתי גראפן, כמו גם כמה- שכבת גרפן מתקבלים ממדגם שנלקח במיקום תאמו מטוסי קשת פלזמות. החיבור הזה של איור 2 מראה את דפוס התאבכות אלקטרונים הקשורים גראפן. דפוס נקודות משושה של התאבכות אלקטרונים מציג את עדות מסודרת מבנים גבישיים. ספקטרום ראמאן הוא כלי רב עוצמה עבור אפיון של גראפן פתיתי SWCNT. פסגות טיפוסי שנצפתה גרפן הם פסגות G ו-2D ב ~ 1600 ס&quot;מ ו -1 ~ 2700 -1 ס&quot;מ בהתאמה, באמצעות עירור באורך גל של 514 ננומטר. Gהשיא נובע בתוך תנודות המטוס שבו ניתן לצפות בכל חומרי פחמן SP2. השיא 2D הוא הסדר השני של הפסגה D אבל הוא ראה גם במערכות שאינן מסודרות, עקב צו fourth פונון המומנטום בתהליך חילופי תהודה כפולה. זה ממלא תפקיד מכריע באפיון של גראפן. עוצמת אני (2D) / אני (G) הוא כ 4 עבור גרפן monolayer וירידות עם תוספת של שכבות עוקבות, ובכך ניתן לאמוד את עובי שכבות גראפן. 11 תרשים 3 מראה כי הערך של אני (2D) / אני (G) הוא בסביבות 1, אשר ניתן הראיות של גראפן כמה שכבות. מצב הנשימה רדיאלי (RBM) בין 120 לבין 350 ס&quot;מ -1 בספקטרום ראמאן יכול לשמש כדי לזהות את קוטר Nanotube באמצעות תדר הרטט קוהרנטית של אטומי C בכיוון רדיאלי. הקשר בין הניסוי לבין תדירות בקוטר SWCNT RBM הוא ω = A / D t + B, שם הפרמטרים of A ו-B שווה ל 234 ו 10 ס&quot;מ -1, בהתאמה, עבור SWCNT הטיפוסי נוצר צרורות. מתוך איור 3, את התדרים של RBM SWCNT בלי ועם שדה מגנטי הם 163.8 ו 215.2 ס&quot;מ -1, המתאימים קוטר ממוצע SWCNT בודדים של 1.52 ו 1.14 ננומטר, בהתאמה. <img alt="באיור 1." src="/files/ftp_upload/3455/3455fig1.jpg" /> באיור 1. התפלגות השדה המגנטי מדומה על ידי תוכנה FEMM 4.2 (א), תצלום של סילון קשת פלזמות מן הזכות viewport (ב), תרשים סכמטי של עמדת אלקטרודות שדה מגנטי בכיוון הפער למקרה כאשר הפער interelectrode ממוקם כ - 75 מ&quot;מ מעל החלק התחתון של מגנט קבוע (ג), ואת תמונתו של מטוס קשת פלזמות מן viewport הקדמי (ד). <img alt="באיור 2." src="/files/ftp_upload/3455/3455fig2.jpg" /> באיור 2. הדימוי נציג TEM של כ-מסונתזצרורות SWCNT ללא שדה מגנטי (א) ו צרורות SWCNT עם השדה המגנטי (ב), SEM תמונה אופיינית של פתיתי גראפן מסונתז עם השדה המגנטי (ג), ואת התמונה של גראפן TEM עם השדה המגנטי. הבלעה היא האזור שנבחר אלקטרון עקיפה דפוס מראה את המבנה הגבישי של גראפן. <img alt="באיור 3." src="/files/ftp_upload/3455/3455fig3.jpg" /> באיור 3. ספקטרום ראמאן של דגימות עם השדה המגנטי בטווח של 100-3100 -1 ס&quot;מ. הבלעה: ספקטרום ראמאן של דגימות ללא השדה המגנטי סביב תדרים RBM. <img alt="איור 4." src="/files/ftp_upload/3455/3455fig4.jpg" /> איור 4. הצמיחה Nanostructure האזור וצפיפות מספר פחמן ניקל עבור קשת הערה 60 א כי צפיפות של פחמן ניקל המוצג בצד שמאל וימין של האלקטרודות, להתקיים באותו אזור.

<ol>
	<li>Dai, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrical+transport+properties+and+field+effect+transistors+of+carbon+nanotubes.">Electrical transport properties and field effect transistors of carbon nanotubes.</a> Nano. 1, 1-13 (2006).</li><li>Lai, K. W. C., Xi, N., Fung, C. K. M., Chen, H. Z., Tarn, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Engineering+the+band+gap+of+carbon+nanotube+for+infrared+sensors.">Engineering the band gap of carbon nanotube for infrared sensors.</a> Applied Physics Letters. 95, 221107-221107 (2009).</li><li>Gabor, N. M., Zhong, Z. H., Bosnick, K., Park, J., McEuen, P. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Extremely+Efficient+Multiple+Electron-Hole+Pair+Generation+in+Carbon+Nanotube+Photodiodes.">Extremely Efficient Multiple Electron-Hole Pair Generation in Carbon Nanotube Photodiodes.</a> Science. 325, 1367-1371 (2009).</li><li>Liu, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrogen+storage+in+single-walled+carbon+nanotubes+at+room+temperature.">Hydrogen storage in single-walled carbon nanotubes at room temperature.</a> Science. 286, 1127-1129 (1999).</li><li>Keidar, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Magnetic-field-enhanced+synthesis+of+single-wall+carbon+nanotubes+in+arc+discharge.">Magnetic-field-enhanced synthesis of single-wall carbon nanotubes in arc discharge.</a> Journal of Applied Physics. 103, 094318-094318 (2008).</li><li>Li, J., Volotskova, O., Shashurin, A., Keidar, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlling+Diameter+Distribution+of+Catalyst+Nanoparticles+in+Arc+Discharge.">Controlling Diameter Distribution of Catalyst Nanoparticles in Arc Discharge.</a> Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 11, 10047-10052 (2011).</li><li>Volotskova, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tailored+Distribution+of+Single-Wall+Carbon+Nanotubes+from+Arc+Plasma+Synthesis+Using+Magnetic+Fields.">Tailored Distribution of Single-Wall Carbon Nanotubes from Arc Plasma Synthesis Using Magnetic Fields.</a> Acs. Nano. 4, 5187-5192 (2010).</li><li>Volotskova, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-step+synthesis+and+magnetic+separation+of+graphene+and+carbon+nanotubes+in+arc+discharge+plasmas.">Single-step synthesis and magnetic separation of graphene and carbon nanotubes in arc discharge plasmas.</a> Nanoscale. 2, 2281-2285 (2010).</li><li>Farhat, S., Scott, C. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Review+of+the+arc+process+modeling+for+fullerene+and+nanotube+production.">Review of the arc process modeling for fullerene and nanotube production.</a> Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 6, 1189-1210 (2006).</li><li>Keidar, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Increasing+the+length+of+single-wall+carbon+nanotubes+in+a+magnetically+enhanced+arc+discharge.">Increasing the length of single-wall carbon nanotubes in a magnetically enhanced arc discharge.</a> Applied Physics Letters. 92, 043129-043129 (2008).</li><li>Ferrari, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Raman+spectrum+of+graphene+and+graphene+layers.">Raman spectrum of graphene and graphene layers.</a> Physical Review Letters. 97, 187401-187401 (2006).</li></ol>

אין לנו שום דבר לגלות.

ב תמונות וידאו שמוצג באיור 1b ו 1d, למקרה כי הפער interelectrode הוצב במרחק של כ 75 מ&quot;מ h = מהחלק התחתון של מגנט קבוע, ראוי לציין כי שינוי של מיקום המגנט (בדקנו משמרת מגנט לאורך ציר Z-ולהפוך את המגנט מעל) תוצאות סטייה של זרימת קשת סילון בכיוון-x מקביל לכיוון של J × B כוח באיור 1 ג. היא נצפתה גם את הגיאומטריה של טור פלזמה קשת לא השתנה על ידי הסרת זרז ניקל מן האנודה. משמעות הדבר היא כי השפעת השדה המגנטי על תנועה זרז חלקיקי ניקל אינו משפיע על הגיאומטריה הכללית של הטור פלזמה. אנו יכולים לשלוט והפצה של השדה המגנטי על ידי שינוי המיקום של מגנט קבוע, ו consequentially האזור צמיחה של ננו פחמן ניתן להשפיע בקלות על פי הכיוון × J B. פתיתים SWCNT ו גרפן הינם הקולקטיביתטד בתחומים שונים, ובכך ההפרדה אפשרי 8. סילון פלזמות שנוצר על ידי יישום של שדות מגנטיים ממלא תפקיד חשוב בתהליך סינתזת גרפן בכך שהוא יכול להציג את החום ואת חלקיקי פחמן מעודן מן האנודה אל J × בכיוון B ישירות. סילון פלזמות יכול לרכז את צפיפות של הפלזמה קשת ולשלוט משלוח יעיל של חלקיקי פחמן יון בפלסמה קשת, ו בתורו, על מנת לשפר את יעילות הייצור של ננו פחמן. בנוסף ניסויים, סימולציות נומריות ניתן לבצע כדי להשיג את הטמפרטורה והפצה מין בתוך מטוס פלזמה, וזה קשה מאוד למדוד ישירות. מתוך חלוקת פרמטרים שונים של פלזמה, אפשר לקבל תובנה רבה יותר על מנגנון הצמיחה והמיקום של היווצרות nanostructure. למשל, סימולציות שבוצעו ללא שדה מגנטי חיצוני (איור 4)הראה כי, האזור המשוער של צמיחה ננו מבוסס על מנגנון שורש הצמיחה, כלומר adatoms פחמן לחלחל אשכולות זרז, נמצא ממש מחוץ לאזור קשת, שם הטמפרטורות מתאימות לגידול אשכול ניקל. האיור מציג את אזור הגידול שהתוותה איזותרמות המתאים תחילת נוקלאציה ניקל (2500 K, פנימית) ו התמצקות של אשכולות (1000K, החיצוני), עם צפיפות מספר ניקל ופחמן ברקע.

טבלה של חומרים כימיים ספציפיים ציוד: <table border="1" style=";text-align:right;direction:rtl"><tbody><tr><th> שם מגיב </th><th> חברה </th><th> מספר קטלוגי </th><th> הערות (אופציונלי) </th></tr><tr><td> מתנול </td><td> Acros אורגניקס </td><td> 423950010 </td><td></td></tr><tr><td> אבקת ניקל </td><td> אלפא Aesar </td><td> 10581 </td><td></td></tr><tr><td> איטריום אבקת </td><td> Acros אורגניקס </td><td> 318060050 </td><td></td></tr><tr><td> אבקת גרפיט </td><td> אלפא Aesar </td><td> 40799 </td><td></td></tr><tr><td> מוט חלול גרפיט </td><td> שבתאי תעשיות </td><td> POCO EDM 3 </td><td></td></tr><tr><td> מגנט קבוע </td><td> מקמאסטר-קאר </td><td> 57315K51 </td><td></td></tr><tr><td> גיליון מוליבדן </td><td> Dingqi Sci. ו טק. </td><td> 080504-11 </td><td></td&gt; </tr><tr><td> Ultrasonic dismembrator </td><td> פישר סיינטיפיק </td><td> דגם 150T </td><td></td></tr><tr><td> אפקט הול gaussmeter </td><td> AI </td><td> דגם 100 </td><td></td></tr><tr><td> כוח ריתוך אספקה </td><td> מילר החשמל </td><td> גולד סטאר 600SS </td><td></td></tr><tr><td> משאבת ואקום </td><td> J / B </td><td> DV-85N </td><td></td></tr><tr><td> SEM </td><td> Zeiss </td><td> ליאו 1430VP </td><td></td></tr><tr><td> TEM </td><td> JEOL </td><td> 1200 EX </td><td></td></tr><tr><td> ראמאן </td><td> HORIBA </td><td> HR800 </td><td></td></tr></tbody></table>

simultaneous synthesis of single-walled carbon nanotubes and graphene in a magnetically-enhanced arc plasma

ננו פחמן כגון יחיד חומה פחמן (SWCNT) ו גרפן למשוך מבול של עניין של חוקרים בשל כיום ליישום מבטיח מאוד שלהם חיישנים מולקולריים, טרנזיסטור אפקט שדה סופר מכשירים אלקטרוניים דק וגמיש 1-4. פריקה קשת anodic נתמך על ידי שחיקה של החומר האנודה היא אחת השיטות הכי פרקטי ויעיל, אשר יכול לספק ספציפיים שאינם שיווי משקל תהליכי זרימה גבוהה של החומר פחמן למבנים פיתוח בטמפרטורה גבוהה יחסית, ולכן כפי- המוצרים מסונתז יש פגמים מבניים כמה crystallinity טוב יותר. כדי לשפר את controllability והגמישות של סינתזה של ננו פחמן הפרשות קשת, שדות מגנטיים יכול להיות מיושם במהלך תהליך הסינתזה על פי התגובות מגנטי חזק של פלזמות קשת. זה היה הוכיחו כי מגנטית מוגברת קשת discharge יכולים להגדיל את האורך הממוצע של SWCNT 5, לצמצם את חלוקת הקוטר של חלקיקי הזרז מתכתי פחמן 6, ולשנות את היחס בין מתכתי פחמן 7 מוליכים למחצה, כמו גם להוביל סינתזה גרפן 8. יתר על כן, כדאי להעיר שכאשר אנחנו מציגים שדה מגנטי לא אחידה עם רכיב נורמלי הנוכחית קשת, כוח לורנץ לאורך J × בכיוון B יכול לייצר את מטוס פלזמות ולעשות משלוח יעיל של חלקיקי יון פחמן חום שטף דגימות. כתוצאה מכך, בקנה מידה גדול פתיתי גראפן צינורות פחמן הטוהר גבוהה אחת חומה נוצרו בו זמנית על ידי שיטה כזו מגנטית מוגברת חדש קשת anodic. ארק הדמיה, מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM), מיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (TEM) ו ספקטרוסקופיית ראמאן הועסקו לנתח את האפיון של ננו פחמן. ממצאים אלה מצביעים עלקשת רחבה של אפשרויות לתמרן עם התכונות של ננו המיוצר פלזמות באמצעות שליטה על התנאים קשת.

Watch this Scientific Journal Video about Simultaneous Synthesis of Single-walled Carbon Nanotubes and Graphene in a Magnetically-enhanced Arc Plasma at JoVE.com

Simultaneous Synthesis of Single-walled Carbon Nanotubes and Graphene in a Magnetically-enhanced Arc Plasma

פריקה קשת anodic היא אחת השיטות הכי פרקטי ויעיל לסנתז ננו פחמן שונים. כדי להגדיל את controllability קשת וגמישות, שדה מגנטי לא אחידה הוצג תהליך הסינתזה צעד אחד בקנה מידה גדול פתיתי גראפן צינורות פחמן הטוהר גבוהה אחת חומה.

סינתזה סימולטני של יחיד חומה פחמן ו גרפן פלזמה ארק מגנטית מוגברת

Carbon nanostructures such as single-walled carbon nanotubes (SWCNT) and graphene attract a deluge of interest of scholars nowadays due to their very ...

simultaneous-synthesis-single-walled-carbon-nanotubes-graphene

Google

Research

JoVE Journal

Bioengineering

15.2K Views.  The George Washington University. פריקה קשת anodic היא אחת השיטות הכי פרקטי ויעיל לסנתז ננו פחמן שונים. כדי להגדיל את controllability קשת וגמישות, שדה מגנטי לא אחידה הוצג תהליך הסינתזה צעד אחד בקנה מידה גדול פתיתי גראפן צינורות פחמן הטוהר גבוהה אחת חומה.

Video: Simultaneous Synthesis of Single-walled Carbon Nanotubes and Graphene in a Magnetically-enhanced Arc Plasma

Graphene Coatings for Biomedical Implants

Atomically smooth graphene as a surface coating has potential to improve implant properties. This demonstrates a method for coating nitinol alloys with nanometer thick layers of graphene for applications as a stent material. Graphene was grown on copper substrates via chemical vapor deposition and then transferred onto nitinol substrates. In order to understand how the graphene coating could change biological response, cell viability of rat aortic endothelial cells and rat aortic smooth muscle cells was investigated. Moreover, the effect of graphene-coatings on cell adhesion and morphology was examined with fluorescent confocal microscopy. Cells were stained for actin and nuclei, and there were noticeable differences between pristine nitinol samples compared to graphene-coated samples. Total actin expression from rat aortic smooth muscle cells was found using western blot. Protein adsorption characteristics, an indicator for potential thrombogenicity, were determined for serum albumin and fibrinogen with gel electrophoresis. Moreover, the transfer of charge from fibrinogen to substrate was deduced using Raman spectroscopy. It was found that graphene coating on nitinol substrates met the functional requirements for a stent material and improved the biological response compared to uncoated nitinol. Thus, graphene-coated nitinol is a viable candidate for a stent material.

Graphene offers potential as a coating material for biomedical implants. In this study we demonstrate a method for coating nitinol alloys with nanometer thick layers of graphene and determine how graphene may influence implant response.

ציפוי גרפן עבור שתלים ביו

Atomically smooth graphene as a surface coating has potential to improve implant properties. This demonstrates a method for coating nitinol alloys with ...

Localization and Relative Quantification of Carbon Nanotubes in Cells with Multispectral Imaging Flow Cytometry

Carbon-based nanomaterials, like carbon nanotubes (CNTs), belong to this type of nanoparticles which are very difficult to discriminate from carbon-rich cell structures and de facto there is still no quantitative method to assess their distribution at cell and tissue levels. What we propose here is an innovative method allowing the detection and quantification of CNTs in cells using a multispectral imaging flow cytometer (ImageStream, Amnis). This newly developed device integrates both a high-throughput of cells and high resolution imaging, providing thus images for each cell directly in flow and therefore statistically relevant image analysis. Each cell image is acquired on bright-field (BF), dark-field (DF), and fluorescent channels, giving access respectively to the level and the distribution of light absorption, light scattered and fluorescence for each cell. The analysis consists then in a pixel-by-pixel comparison of each image, of the 7,000-10,000 cells acquired for each condition of the experiment. Localization and quantification of CNTs is made possible thanks to some particular intrinsic properties of CNTs: strong light absorbance and scattering; indeed CNTs appear as strongly absorbed dark spots on BF and bright spots on DF with a precise colocalization.
This methodology could have a considerable impact on studies about interactions between nanomaterials and cells given that this protocol is applicable for a large range of nanomaterials, insofar as they are capable of absorbing (and/or scattering) strongly enough the light.

In this study, the main purpose was to monitor the cellular uptake and eventual exocytosis of carbon nanotubes (CNTs). From this perspective, we proposed here a unique method using multispectral imaging flow cytometry allowing a quantification and localization of CNTs in a statistically relevant number of cells.

לוקליזציה וכימות יחסית של פחמן בתאים עם Multispectral הדמיה תזרים cytometry

Carbon-based nanomaterials, like carbon nanotubes (CNTs), belong to this type of nanoparticles which are very difficult to discriminate from carbon-rich ...

Synthesis of an Intein-mediated Artificial Protein Hydrogel

We present the synthesis of a highly stable protein hydrogel mediated by a split-intein-catalyzed protein trans-splicing reaction. The building blocks of this hydrogel are two protein block-copolymers each containing a subunit of a trimeric protein that serves as a crosslinker and one half of a split intein. A highly hydrophilic random coil is inserted into one of the block-copolymers for water retention. Mixing of the two protein block copolymers triggers an intein trans-splicing reaction, yielding a polypeptide unit with crosslinkers at either end that rapidly self-assembles into a hydrogel. This hydrogel is very stable under both acidic and basic conditions, at temperatures up to 50 &#176;C, and in organic solvents. The hydrogel rapidly reforms after shear-induced rupture. Incorporation of a &#34;docking station peptide&#34; into the hydrogel building block enables convenient incorporation of &#34;docking protein&#34;-tagged target proteins. The hydrogel is compatible with tissue culture growth media, supports the diffusion of 20 kDa molecules, and enables the immobilization of bioactive globular proteins. The application of the intein-mediated protein hydrogel as an organic-solvent-compatible biocatalyst was demonstrated by encapsulating the horseradish peroxidase enzyme and corroborating its activity.

We present the synthesis of a split-intein-mediated protein hydrogel. The building blocks of this hydrogel are two protein copolymers each containing a subunit of a trimeric protein that serves as a crosslinker and one half of a split intein. Mixing of the two protein copolymers triggers an intein trans-splicing reaction, yielding a polypeptide unit that self-assembles into a hydrogel. This hydrogel is highly pH- and temperature-stable, compatible with organic solvents, and easily incorporates functional globular proteins.

סינתזה של חלבון מלאכותי בתיווך intein Hydrogel

We present the synthesis of a highly stable protein hydrogel mediated by a split-intein-catalyzed protein trans-splicing reaction. The building blocks of ...

Synthesis of Keratin-based Nanofiber for Biomedical Engineering

Electrospinning, due to its versatility and potential for applications in various fields, is being frequently used to fabricate nanofibers. Production of these porous nanofibers is of great interest due to their unique physiochemical properties. Here we elaborate on the fabrication of keratin containing poly (&#949;-caprolactone) (PCL) nanofibers (i.e., PCL/keratin composite fiber). Water soluble keratin was first extracted from human hair and mixed with PCL in different ratios. The blended solution of PCL/keratin was transformed into nanofibrous membranes using a laboratory designed electrospinning set up. Fiber morphology and mechanical properties of the obtained nanofiber were observed and measured using scanning electron microscopy and tensile tester. Furthermore, degradability and chemical properties of the nanofiber were studied by FTIR. SEM images showed uniform surface morphology for PCL/keratin fibers of different compositions. These PCL/keratin fibers also showed excellent mechanical properties such as Young&#39;s modulus and failure point. Fibroblast cells were able to attach and proliferate thus proving good cell viability. Based on the characteristics discussed above, we can strongly argue that the blended nanofibers of natural and synthetic polymers can represent an excellent development of composite materials that can be used for different biomedical applications.

Electrospun nanofibers have a high surface area to weight ratio, excellent mechanical integrity, and support cell growth and proliferation. These nanofibers have a wide range of biomedical applications. Here we fabricate keratin/ PCL nanofibers, using the electrospinning technique, and characterize the fibers for possible applications in tissue engineering.

סינתזה של nanofiber קראטין מבוסס על הנדסה ביו רפואית

Electrospinning, due to its versatility and potential for applications in various fields, is being frequently used to fabricate nanofibers. Production of ...

Engineering Molecular Recognition with Bio-mimetic Polymers on Single Walled Carbon Nanotubes

Semiconducting single-wall carbon nanotubes (SWNTs) are a class of optically active nanomaterial that fluoresce in the near infrared, coinciding with the optical window where biological samples are most transparent. Here, we outline techniques to adsorb amphiphilic polymers and polynucleic acids onto the surface of SWNTs to engineer their corona phases and create novel molecular sensors for small molecules and proteins. These functionalized SWNT sensors are both biocompatible and stable. Polymers are adsorbed onto the nanotube surface either by direct sonication of SWNTs and polymer or by suspending SWNTs using a surfactant followed by dialysis with polymer. The fluorescence emission, stability, and response of these sensors to target analytes are confirmed using absorbance and near-infrared fluorescence spectroscopy. Furthermore, we demonstrate surface immobilization of the sensors onto glass slides to enable single-molecule fluorescence microscopy to characterize polymer adsorption and analyte binding kinetics.

We present a protocol for engineering the corona phase of near infrared fluorescent single walled carbon nanotubes (SWNTs) using amphiphilic polymers and DNA to develop sensors for molecular targets without known recognition elements.

הכרה מולקולרית הנדסה עם פולימרים ביו-מימטיים על פחמן Walled יחיד

Semiconducting single-wall carbon nanotubes (SWNTs) are a class of optically active nanomaterial that fluoresce in the near infrared, coinciding with the ...

Targeted Plasma Membrane Delivery of a Hydrophobic Cargo Encapsulated in a Liquid Crystal Nanoparticle Carrier

The controlled delivery of drug/imaging agents to cells is critical for the development of therapeutics and for the study of cellular signaling processes. Recently, nanoparticles (NPs) have shown significant promise in the development of such delivery systems. Here, a liquid crystal NP (LCNP)-based delivery system has been employed for the controlled delivery of a water-insoluble dye, 3,3&#8242;-dioctadecyloxacarbocyanine perchlorate (DiO), from within the NP core to the hydrophobic region of a plasma membrane bilayer. During the synthesis of the NPs, the dye was efficiently incorporated into the hydrophobic LCNP core, as confirmed by multiple spectroscopic analyses. Conjugation of a PEGylated cholesterol derivative to the NP surface (DiO-LCNP-PEG-Chol) enabled the binding of the dye-loaded NPs to the plasma membrane in HEK 293T/17 cells. Time-resolved laser scanning confocal microscopy and F&#246;rster resonance energy transfer (FRET) imaging confirmed the passive efflux of DiO from the LCNP core and its insertion into the plasma membrane bilayer. Finally, the delivery of DiO as a LCNP-PEG-Chol attenuated the cytotoxicity of DiO; the NP form of DiO exhibited ~30-40% less toxicity compared to DiOfree delivered from bulk solution. This approach demonstrates the utility of the LCNP platform as an efficient modality for the membrane-specific delivery and modulation of hydrophobic molecular cargos.

A liquid crystal nanoparticle (LCNP) nanocarrier is exploited as a vehicle for the controlled delivery of a hydrophobic cargo to the plasma membrane of living cells.

משלוח הממברנה ממוקד על Encapsulated מטענים הידרופובי בנושאת Nanoparticle קריסטל נוזלת

The controlled delivery of drug/imaging agents to cells is critical for the development of therapeutics and for the study of cellular signaling processes. ...

DNA Nanotubes as a Versatile Tool to Study Semiflexible Polymers

Mechanical properties of complex, polymer-based soft matter, such as cells or biopolymer networks, can be understood in neither the classical frame of flexible polymers nor of rigid rods. Underlying filaments remain outstretched due to their non-vanishing backbone stiffness, which is quantified via the persistence length (lp), but they are also subject to strong thermal fluctuations. Their finite bending stiffness leads to unique, non-trivial collective mechanics of bulk networks, enabling the formation of stable scaffolds at low volume fractions while providing large mesh sizes. This underlying principle is prevalent in nature (e.g., in cells or tissues), minimizing the high molecular content and thereby facilitating diffusive or active transport. Due to their biological implications and potential technological applications in biocompatible hydrogels, semiflexible polymers have been subject to considerable study. However, comprehensible investigations remained challenging since they relied on natural polymers, such as actin filaments, which are not freely tunable. Despite these limitations and due to the lack of synthetic, mechanically tunable, and semiflexible polymers, actin filaments were established as the common model system. A major limitation is that the central quantity lp cannot be freely tuned to study its impact on macroscopic bulk structures. This limitation was resolved by employing structurally programmable DNA nanotubes, enabling controlled alteration of the filament stiffness. They are formed through tile-based designs, where a discrete set of partially complementary strands hybridize in a ring structure with a discrete circumference. These rings feature sticky ends, enabling the effective polymerization into filaments several microns in length, and display similar polymerization kinetics as natural biopolymers. Due to their programmable mechanics, these tubes are versatile, novel tools to study the impact of lp on the single-molecule as well as the bulk scale. In contrast to actin filaments, they remain stable over weeks, without notable degeneration, and their handling is comparably straightforward.

Semiflexible polymers display unique mechanical properties that are extensively applied by living systems. However, systematic studies on biopolymers are limited since properties such as polymer rigidity are inaccessible. This manuscript describes how this limitation is circumvented by programmable DNA nanotubes, enabling experimental studies on the impact of filament rigidity.

ה-DNA צינוריות כמו כלי רב-תכליתי ללמוד פולימרים Semiflexible

Mechanical properties of complex, polymer-based soft matter, such as cells or biopolymer networks, can be understood in neither the classical frame of ...

Melt Electrospinning Writing of Three-dimensional Poly(&#949;-caprolactone) Scaffolds with Controllable Morphologies for Tissue Engineering Applications

This tutorial reflects on the fundamental principles and guidelines for electrospinning writing with polymer melts, an additive manufacturing technology with great potential for biomedical applications. The technique facilitates the direct deposition of biocompatible polymer fibers to fabricate well-ordered scaffolds in the sub-micron to micro scale range. The establishment of a stable, viscoelastic, polymer jet between a spinneret and a collector is achieved using an applied voltage and can be direct-written. A significant benefit of a typical porous scaffold is a high surface-to-volume ratio which provides increased effective adhesion sites for cell attachment and growth. Controlling the printing process by fine-tuning the system parameters enables high reproducibility in the quality of the printed scaffolds. It also provides a flexible manufacturing platform for users to tailor the morphological structures of the scaffolds to their specific requirements. For this purpose, we present a protocol to obtain different fiber diameters using melt electrospinning writing (MEW) with a guided amendment of the parameters, including flow rate, voltage and collection speed. Furthermore, we demonstrate how to optimize the jet, discuss often experienced technical challenges, explain troubleshooting techniques and showcase a wide range of printable scaffold architectures.

Melt Electrospinning Writing of Three-dimensional Poly(&amp;#949;-caprolactone) Scaffolds with Controllable Morphologies for Tissue Engineering Applications

This protocol serves as a comprehensive guideline to fabricate scaffolds via electrospinning with polymer melts in a direct writing mode. We systematically outline the process and define the appropriate parameter settings for achieving targeted scaffold architectures.

להמיס Electrospinning הכתיבה של פיגומים Poly(ε-caprolactone) תלת מימדי עם מורפולוגיות לשליטה עבור יישומי הנדסת רקמות

This tutorial reflects on the fundamental principles and guidelines for electrospinning writing with polymer melts, an additive manufacturing technology ...

Microhoneycomb Monoliths Prepared by the Unidirectional Freeze-drying of Cellulose Nanofiber Based Sols: Method and Extensions

Monolithic honeycomb structures have been attractive to multidisciplinary fields due to their high strength-to-weight ratio. Particularly, microhoneycomb monoliths (MHMs) with micrometer-scale channels are expected as efficient platforms for reactions and separations because of their large surface areas. Up to now, MHMs have been prepared by a unidirectional freeze-drying (UDF) method only from very limited precursors. Herein, we report a protocol from which a series of MHMs consisting of different components can be obtained. Recently, we found that cellulose nanofibers function as a distinct structure-directing agent towards the formation of MHMs through the UDF process. By mixing the cellulose nanofibers with water soluble substances which do not yield MHMs, a variety of composite MHMs can be prepared. This significantly enriches the chemical constitution of MHMs towards versatile applications.

Here, we present a general protocol to prepare a variety of microhoneycomb monoliths (MHMs) in which fluid can pass through with an extremely low pressure drop. MHMs obtained are expected to be used as filters, catalyst supports, flow-type electrodes, sensors and scaffolds for biomaterials.

הפסלים Microhoneycomb שהוכנו על ידי ליופיליזציה חד כיווני של Nanofiber תאית מבוססת Sols: שיטת והרחבות

Monolithic honeycomb structures have been attractive to multidisciplinary fields due to their high strength-to-weight ratio. Particularly, microhoneycomb ...

Synthesis of Multi-walled Carbon Nanotubes Modified with Silver Nanoparticles and Evaluation of Their Antibacterial Activities and Cytotoxic Properties

In this study, multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) were treated with an aqueous sulfuric acid solution to form an oxygen-based functional group. Silver MWCNTs were prepared by the reductive deposition of silver from an aqueous solution of AgNO3 on the oxidized MWCNTs. Given the unique color of the CNTs, it was not possible to apply them to the minimum inhibitory concentration or mitochondrial toxicity assays to evaluate the toxicity and antibacterial properties, since they would interfere with the assays. The inhibition zone and minimum bactericidal concentration for the Ag-MWCNTs were measured and Live/Dead and Trypan Blue assays were used to measure the toxicity and antibacterial properties without interfering with the color of the CNTs.

In this study, antimicrobial nanomaterials were synthesized by acidic oxidation of multiwalled carbon nanotubes and subsequent reductive deposition of silver nanoparticles. Antimicrobial activity and cytotoxicity tests were performed with the as-prepared nanomaterials.

סינתזה של צינורות פחמן עם קירות רב שופרת סילבר חלקיקים והערכה של פעילות אנטיבקטריאליות שלהם ומאפיינים ציטוטוקסיות

In this study, multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) were treated with an aqueous sulfuric acid solution to form an oxygen-based functional group. Silver ...