单壁碳纳米管太赫兹超表面窄带吸收及其传感特性

由于碳纳米管具有优异的电学和光学特性,因此在光电子学领域具有广泛的应用前景.本文使用真空抽滤法,将单壁碳纳米管粉末分散液通过真空过滤的方式,制备了一种各向同性的单壁碳纳米管薄膜;进而提取了薄膜在0.4—2.0 THz范围内介电参数,并设计了一种基于单壁碳纳米管薄膜的新型太赫兹超表面窄带吸收器,这种超表面吸收器是由方形与工字形狭缝谐振器构成.实验和仿真结果表明,提出的太赫兹超表面吸收器在0.65,0.85,1.16和1.31 THz处存在4个明显的共振吸收峰,实现了最高可达90%的完美吸收.利用多重反射干涉理论阐明了这种多频带新型太赫兹超表面的吸收机制.通过在超表面器件表面覆盖具有不同折射率的介质层,深入研究了超表面作为折射率传感器的传感性能.研究结果表明,这种新型超表面吸收器用于折射率传感具有较高的灵敏度,为进一步开发新型碳基太赫兹超表面吸收器提供了新的思路和方案.

利用单壁碳纳米管介导植物瞬时遗传转化的研究

为验证单壁碳纳米管(SWNT)介导的新型的植物遗传转化方法的有效性,利用羧基化的单壁碳纳米管(COOH-SWNT)为原材料,构建了聚乙烯亚胺(PEI)修饰的羧基化单壁碳纳米管复合物(PEI-SWNT),探索验证PEI-SWNT复合物对外源基因的结合比例以及保护作用,使用PEI-SWNT复合物将RED以及UBQ10-EGFP等荧光质粒转化到油菜的原生质体和烟草叶片中。结果表明,PEI-SWNT纳米材料成功与外源目的基因结合,并对外源目的基因进行保护,使其免于核酸酶的降解,PEI-SWNT携带目的基因进入受体细胞后,可以成功地在受体细胞内进行基因表达。

磁性原子吸附单壁碳纳米管的第一性原理研究

本文使用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,计算了磁性原子Fe、Co、Ni吸附在扶手椅型(8,8)单壁碳纳米管(SWCNT)后吸附体系的吸附能、磁矩、电子结构、电子转移和介电性能。计算结果表明Fe、Co、Ni与(8,8)SWCNT壁外部的结合比与内部的结合更强,最稳定吸附位点分别为外部穴位、外部穴位和外部顶位。Fe、Co、Ni吸附(8,8)SWCNT后,引入了新的电子能级和态密度峰,Fe@SWCNT和Co@SWCNT吸附体系发生自旋极化,表现出磁性,但Ni@SWCNT体系仍保持自旋非极化,无磁性。此外,磁性原子的引入可以有效提高介电函数低能区域的实部和虚部,增强SWCNT的极化强度和介电损耗。这些研究结果可以为碳纳米管在电磁防护领域的应用提供理论指导。

TiC和单壁碳纳米管协同增强6061铝合金组织和性能研究

采用高能球磨和真空热压烧结制备单壁碳纳米管/TiC/6061铝基复合材料,研究不同TiC含量对6061铝合金组织和力学性能的影响。结果表明:随着TiC含量的增加,铝基复合材料的硬度增加,而抗拉强度先提高后降低,当TiC含量(质量分数)为4%时,复合材料的晶粒尺寸最小,其综合性能最优,抗拉强度为196.4MPa,硬度为81.7HV0.1。铝基复合材料主要的强化机制是弥散强化和第二相强化,第二相主要有单壁碳纳米管(SWCNTs)和TiC。

基于水相剥离的单壁碳纳米管薄膜透光和导电特性

高性能透明导电薄膜是光伏电池、平板显示器等光电子器件的重要组成部件。发展了基于水相剥离的单壁碳纳米管透光导电薄膜制备方法,分析单壁碳纳米管薄膜透光率、方阻和浓度之间的依变关系,探究杂化处理对薄膜透光和导电性能的影响规律。结果表明:通过调节单壁碳纳米管浓度实现了薄膜在太阳光谱范围(300~2500 nm)透光率(50%~96%)的准确预测、方阻特性在3~100Ω·sq^(-1)之间的精准调控;通过酸回流和强氧化的纯化过程,透光率在750~2000 nm波段平均提升3.1%,方阻降低50%以上。该透明导电薄膜具有高透光率和低电阻的优异综合性能,在光电子器件设计方面具有广阔的应用前景。

单壁碳纳米管/聚醚酰亚胺电磁屏蔽薄膜的制备与性能

在实际应用中,柔性、轻质、高性能是聚合物基电磁屏蔽材料应具备的特点.目前,制备兼具优异电导率、电磁屏蔽性能和力学性能的聚合物基电磁屏蔽材料仍然是一个巨大挑战.因此,本工作以单壁碳纳米管和聚醚酰亚胺为原料,通过静电纺丝和真空辅助过滤的方法制备了单壁碳纳米管/聚醚酰亚胺复合薄膜.通过调控单壁碳纳米管的面密度,复合薄膜的电导率可以提升至1866 S/cm.对于电磁屏蔽性能,单壁碳纳米管/聚醚酰亚胺复合薄膜在Ku波段(12-18 GHz)的总电磁屏蔽效能为75.78-81.83 dB,高于纯单壁碳纳米管薄膜的电磁屏蔽效能(65.19-69.81 dB).由于聚醚酰亚胺纤维和单壁碳纳米管之间形成了界面,在一定的单壁碳纳米管面密度范围内,界面越多,消耗的电磁波能量越多.对于力学性能,单壁碳纳米管/聚醚酰亚胺薄膜的最大拉伸强度和断裂伸长率分别为28.52 MPa和7.91%,是单壁碳纳米管薄膜的1.13倍和1.5倍,随着单壁碳纳米管面密度的增大,单壁碳纳米管之间的相互作用以及聚醚酰亚胺纤维和单壁碳纳米管在界面处的相互作用对复合薄膜的力学性能起到了一定的增强作用.单壁碳纳米管/聚醚酰亚胺复合薄膜作为一种优异的聚合物基电磁屏蔽复合材料,可用于如精密电子仪器的防护和可穿戴电子设备等领域.

新型MgO负载Co-Y双金属催化剂对单壁碳纳米管直径分布的调控

单壁碳纳米管的直径调控是碳管生长和应用领域的重要问题。本文以氧化镁(MgO)为载体,首次采用共浸渍法制备了新型钴-钇(Co-Y)双金属催化剂,利用高熔点的Y作为稀释剂和锚定组分控制Co纳米颗粒的尺寸,从而制备窄直径分布的单壁碳纳米管。利用SEM、XRD、XPS和TEM等对催化剂的结构形貌进行了表征,确定了Y和Co的存在状态分别为Y_(2)O_(3)和Co_(3)O_(4),其中Y金属的加入能显著提高Co_(3)O_(4)晶粒的分散性。利用TEM和Raman分析产物的直径分布,结果表明Co-Y/MgO催化剂体系制备了窄直径分布的单壁碳纳米,其直径范围为1.06~1.42nm。

单壁碳纳米管净化-气相色谱-串联质谱法测定火锅底料中两种邻苯二甲酸酯含量及其风险暴露评估

目的建立单壁碳纳米管净化(single-walled carbon nanotubes,SWCNTs)结合气相色谱-串联三重四极杆质谱法(gas chromatography-tandem mass spectrometry,GC-MS/MS)检测火锅底料中邻苯二甲酸酯(phthalic acid esters,PAEs)的方法。方法样品经乙腈提取、SWCNT净化,毛细管色谱柱分离后采用GC-MS/MS分析。结果2种PAEs在0.02~1.00μg/mL范围内呈良好线性关系,相关系数均大于0.997,检出限和定量限分别为0.1 mg/kg和0.3 mg/kg,低、中、高3个浓度水平的加标回收率为96.3%~101.9%,精密度为1.0%~3.7%。将所建立方法应用于450批次实际样品检测,发现邻苯二甲酸二丁酯(dibutyl phthalate,DBP)检出率为25.1%,超过0.3mg/kg限量要求样本占比为25.1%;邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯[bis(2-ethylhexyl)phthalate,DEHP]检出率为24.4%,超过1.5 mg/kg限量要求的样本占比为2.0%。用基于蒙特卡洛(Monte Carlo)统计模型的水晶球(Crystal Ball)软件对检测数据进行模拟计算,评估DBP和DEHP的日均暴露量和风险指数,评估发现火锅底料中的DBP、DEHP不存在食品安全暴露风险。结论新建立方法极大地提高净化效果、减少系统污染的可能,在满足检测需求的同时,提升了方法的精密度和准确度。

基于碳纳米管阵列的高响应光电探测器件

纳米管(Carbon nanotube,CNT)具有纳米级特征尺寸、独特的一维能带结构、极大的比表面积和多种排布形态,吸收波长覆盖太赫兹至紫外波段,吸收率高;半导体型单壁碳纳米管拥有直接带隙,禁带宽度随手性不同在0.1 eV至1 eV以上均有分布,可实现室温弹道输运,是构建片上高响应、超宽带、超快可调光电探测器件的新型潜力材料。南京电子器件研究所采用高纯度半导体型碳纳米管阵列材料设计制备了多种红外—光电探测器件,其中叉指型光电探测器件通过缩短电极间距降低渡越时间提高响应速度、构造功函数不同的非对称电极促进光生空穴—电子对分离提高响应度、增加栅控有效调控多数载流子降低暗电流,实现了300 A/W以上的优异响应度,响应时间<30μs。进一步联合东南大学,首次在碳纳米管光电探测器件中引入硅光波导与金属狭缝结构,激发等离激元局域光场增强与耦合,在1550 nm通信波段获得高响应特性,3dB带宽达15GHz。未来通过构建异质结及叠层结构,有望进一步降低暗电流,并开发取向阵列的偏振敏感特性,助力碳基电子学及光电子学的应用发展。

单壁碳纳米管导电添加剂对锂离子电池正极材料电化学性能的影响

单壁碳纳米管具有极高的长径比和优异的电学与力学性能,在锂离子电池导电添加剂中有着良好的应用前景.针对单壁碳纳米管在电池浆料中分散性差的问题,利用Birch还原烷基化反应对单壁碳纳米管进行可控功能化修饰,制备兼具良好导电性与分散性的碳纳米管材料,并考察其作为导电添加剂对锂离子电池正极材料电化学性能的影响.结果表明,以经过3轮烷基功能化修饰的单壁碳纳米管为导电添加剂时,锂离子电池的循环性能与倍率性能均优于其他样品,在5 C的放电倍率下循环400圈后仍有110 mAh/g的比容量.

XPS研究单壁碳纳米管(SWNTs)上碳与碘形成的共价键

采用简单的氯胺-T反应制备了碘化的多羟基单壁碳纳米管(SWNTols),发现碘与SWNTols的碳形成共价键.用同步辐射光电子能谱(SRXPS)和光电子能谱(XPS)测量发现,样品的碘的电子结合能与两个具有C-I共价键的参考物——苯的衍生物,完全一致,而与具有离子性质的NaI的结合能不同.这个结果对单壁碳纳米管今后的生物医学应用研究有实际意义.

铜离子掺杂聚乙烯亚胺/碳纳米管热电薄膜的制备与表征

以单壁碳纳米管(SWCNT)为基体,掺入适量的Cu^(2+)或[Cu(NH_(3))_(4)]^(2+)和聚乙烯亚胺(PEI),通过溶液共混和真空抽滤方法制备得到Cu^(2+)-PEI/SWCNT和[Cu(NH_(3))_(4)]^(2+)-PEI/SWCNT复合薄膜。通过扫描电子显微镜法、X射线能谱仪、红外光谱、拉曼光谱和热电仪器表征了复合薄膜的结构与性能。研究结果表明:适量Cu^(2+)和PEI掺杂SWCNT时,优化了SWCNT的载流子浓度和迁移率,提升了体系的电导率,最大电导率为1101.3 S·cm-1,功率因子最高达到93.4μW·m^(-1)·K^(-2)。掺杂[Cu(NH_(3))_(4)]^(2+)和PEI时,提升了SWCNT的载流子迁移率,显著提升了体系的塞贝克系数,最大塞贝克系数为45.0μV·K^(-1),功率因子最高达到72.3μW·m^(-1)·K^(-2)。虽然Cu^(2+)和[Cu(NH_(3))_(4)]^(2+)提升SWCNT热电性能的机理不同,但功率因子都高于PEI/SWCNT(55.7μW·m^(-1)·K^(-2))。

单壁碳纳米管/芳纶纸基复合材料的电磁性能研究

采用造纸湿法成形技术制备了一种单壁碳纳米管(SWCNT)/芳纶纤维(AFs)纸基复合材料(PBCs)。研究了SWCNT添加量对PBCs导电性能和介电性能的影响;基于PBCs复介电常数,仿真模拟了8-12GHz蜂窝结构的反射率,并与实测值进行对比。结果表明,SWCNT在极低载量下即可实现对PBCs电导率和复介电常数的宽范围调控,是一种有潜力的电磁波吸收材料。

荧光金纳米簇/单壁碳纳米管(AuNCs/SWNTs)复合材料制备及体外细胞毒性研究

目的制备新型荧光金纳米簇/单壁碳纳米管(AuNCs/SWNTs)复合材料并研究其体外细胞毒性。方法以牛血清白蛋白介导合成金纳米簇,并进一步合成AuNCs/SWNTs纳米复合材料,检测其荧光性,CCK-8方法检测其对人成纤维细胞的体外细胞毒性。结果制备的AuNCs/SWNTs纳米复合材料镜下有明显荧光,CCK-8结果显示,不同浓度AuNCs/SWNT材料分别与细胞共同培养24h,各剂量组与正常对照组相比较,细胞存活率差异不具有统计学意义(P>0.05)。结论制备的荧光AuNCs/SWNTs纳米复合材料在本实验浓度范围内无体外细胞毒性,在肿瘤细胞成像及近红外热疗领域有潜在应用前景。

载阿霉素的单壁碳纳米管的制备及体外抗肿瘤初步评价

目的为了开发一种新型的多功能药物递送载体平台,引入了具有较强细胞摄取能力和较高载药效率的碳纳米管,通过功能化修饰可能降低碳纳米管细胞毒性的同时提高肿瘤细胞对其的摄取能力。方法选取单壁碳纳米管(single-walled carbon nanotubes,SWCNTs),通过混酸处理、活性基团以及靶向基团的修饰降低载体材料的毒性,提升其生物相容性,并且为载体材料增加了对肿瘤细胞的靶向性,以X-射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS),X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)等分析手段验证了修饰基团的成功连接。借助MTT实验以及荧光图像检测了载体的细胞毒性,摄取能力和活性氧水平。结果经聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG),聚乙烯亚胺(polyetherimide,PEI),叶酸(folicacid,FA)等活性基团修饰后的SWCNTs细胞毒性明显下降,且增加了MCF-7细胞对阿霉素(doxorubicin,DOX)的有效摄取和ROS水平,提高了机体抗肿瘤免疫能力。结论表明修饰后的SWCNTs在抗癌药物递送领域潜力巨大。

影响单壁碳纳米管氢气传感器的因素

单壁碳纳米管用于制造氢气传感器已有几十年的历史。由于单壁碳纳米管与氢气的相互作用很小,因此需采用了多种改性来辅助,改性物包括金属、金属氧化物与聚合物等。一些研究指出,当与碳纳米管上的官能团结合时,改性物可以使响应提高几个数量级。在目前的研究中,已开发了许多新的结构。此外,单壁碳纳米管的直径和手性等结构也会影响氢气探测器的性能。本文对单壁碳纳米管的改性进行了分类,并对其影响因素进行了讨论,旨在为制造高响应度和低检测限的探测器提供支撑。

羧基化单壁碳纳米管对斑马鱼胚胎发育和形态的影响

目的:评价水环境中羧基化单壁碳纳米管(c-SWNTs)对斑马鱼胚胎发育和形态的影响。方法:根据国家标准GB/T21807-2008,取受精后6 h(6 hpf)健康斑马鱼胚胎暴露于不同浓度(40 mg/L、80 mg/L、160 mg/L)的c-SWNTs水分散液中,观察和分析24 hpf和96 hpf胚胎的孵化率、畸形率和死亡率。以扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)分别观测80 mg/Lc-SWNTs对24 hpf斑马鱼胚胎绒毛膜形态和胚胎超微结构的影响。结果:与空白对照组相比,除了40 mg/L浓度组胚胎在96 hpf的孵化率明显降低外(P<0.05),各暴露组胚胎在24 hpf和96 hpf的孵化率、畸形率和死亡率均无显著差异;SEM结果显示,c-SWNTs聚集在胚胎绒毛膜外表面,难以穿透绒毛膜;TEM结果显示,在胚胎内部超微结构中未观测到明显的cSWNTs。结论:水环境中的羧基化单壁碳纳米管主要聚集在胚胎绒毛膜外表面,会影响部分胚胎的孵化时间,但对斑马鱼的发育无明显影响。

扭转单壁碳纳米管的第一性原理研究

单壁碳纳米管的带隙可控化一直是备受关注的研究方向,本文通过在单壁碳纳米管轴向方向上旋转每个碳原子得到扭转模型,详细介绍了模型的构建过程,提出了模型构建的两个原则,单壁碳纳米管扭转模型符合周期性排列规律,基于第一性原理密度泛函理论证明了扭转模型能够自洽成功.通过计算给出数十种扭转模型的带隙变化图,随着扭转强度的增大,单壁碳纳米管的带隙发生了多次相变,包括金属型-半导体型和半导体型-金属型转变.进一步统计了扭转过程中单壁碳纳米管的直径变化、碳原子间平均键长及平均键角的变化,发现这些变化也存在规律.最后统计了碳原子能量的变化规律,发现不同种类的单壁碳纳米管在相同扭转强度下有不同的能量变化.本文为单壁碳纳米管带隙可控化提供了新的思路,进而为单壁碳纳米管纳米电子器件、微集成电路提供了理论依据.

基于非线性本构的单壁碳纳米管的Euler-Bernoulli梁模型

在近期石墨烯的力学实验中,发现其在有限变形的条件下应力应变本构关系是非线性的。石墨烯卷曲形成碳纳米管,大管径单壁碳纳米管的应力应变关系,在理论上和石墨烯一致。在本研究中,基于石墨烯的非线性本构关系,建立了新的单壁碳纳米管的Euler-Bernoulli梁模型。之后对两端铰支的情况,使用Galerkin方法和多尺度法研究单壁碳纳米管在均布载荷作用下的静力弯曲和受迫振动问题。结果显示,在静力弯曲时,本构中的非线性项对碳纳米管起到了刚度软化的作用。在受迫振动时,本构中的非线性项改变了振幅分岔点的位置。因此本构中的非线性项对碳纳米管力学性质的显著影响不容忽视。

荧光光谱法研究单壁碳纳米管与牛血红蛋白的相互作用

选取了单壁碳纳米管(SWCNTs)及两种分离后的单一手性单壁碳纳米管(6,5)-SWCNTs、(8,3)-SWCNTs分别与牛血红蛋白(BHb)结合,通过荧光光谱法分析SWCNTs与BHb的相互作用。结果表明,SWCNTs对BHb的荧光猝灭为动态猝灭与静态猝灭结合的机制,(6,5)-SWCNTs和(8,3)-SWCNTs对BHb的荧光猝灭属于静态猝灭的机制;298 K下BHb与3种SWCNTs的结合常数大小顺序如下:SWCNTs>(6,5)-SWCNTs>(8,3)-SWCNTs;范德华力、氢键和疏水作用是相互作用中的主要作用力。