Кореляцiя мiж фотоiндукованим повним пропусканням та ступенем функцiоналiзацiї поверхнi вуглецевих матерiалiв, одержаних з природних поновлюваних джерел
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe61.10.0863Ключові слова:
carbons, surface acidity, oxidation, nonlinear optical responseАнотація
Вперше було застосовано швидкий безконтактний метод, який базується на самовпливi пiкосекундного лазерного випромiнювання на довжинi хвилi 1064 нм, для характеризацiї оптично густих пористих шарiв об’ємних частинок карбонових матерiалiв (КМ), що отриманi з лiгноцелюлозної сировини. Показано, що окислювальна обробка призводить до зменшення площi поверхнi Брунауера–Еммета–Тейлора (SBET) вiд 9,52 · 105 м2/кг до 2,73 · 105 м2/кг, яка вiдбувається за рахунок руйнування частини вуглецевої матрицi та формування нових О-вмiстних поверхневих груп. Найбiльш ефективним окиснювачем виявлено концентровану HNO3 30 мас.%, яка приводить до найефективнiшого утворення карбоксильних, ангiдридних i лактонних, та фенольних поверхневих груп. Концентрацiю таких функцiональних груп було визначено в динамiчнiй атмосферi аргону за допомогою термогравiметричного аналiзу (ТГ) i термопрограмованої десорбцiї, що поєднується iз IЧ (ТПД–IЧ) спектроскопiєю. Кислотнiсть поверхнi, яка визначалася за даними титрування за Бьомом, добре узгоджується iз даними ТГ–ТПД–IЧ дослiджень. Пiдвищення гiдрофiльностi поверхнi дозволяє застосовувати вуглецеву матрицю для ковалентного зв’язування бiолiгандiв, амiнокислот, їх похiдних та протеїнiв з кисневмiсними функцiональними карбоксильними групами. Отриманi значення ефективностi фотоiндукованого поглинання Im(X(3)C) ∼ 10−16 м2/В добре збiгаються з вiдповiдними для нанорозмiрних КМ. Показано, що вiдношення Im(X(3)C)/SBET є майже сталим у межах експериментальної похибки. Це вказує на певну кореляцiю мiж абсорбцiйним нелiнiйно-оптичним вiдгуком та питомою поверхнею КМ. Ми пропонуємо використати Im(X(3)C) як параметр якостi карбонових матерiалiв в процесi їх окиснення. Окиснення є типовим початковим кроком найпоширенiших методiв функцiоналiзацiї КМ для бiомедицинських застосувань.
Посилання
R.J. Hunter and V.R. Preedy, Nanomedicine in Health and Disease (CRC, Boca Raton, 2012).
M.J. Schulz and V.N. Shanov, Nanomedicine Design of Particles, Sensors, Motors, Implants, Robots, and Devices (Artech House, Boston-Norwood, 2009).
Z. Li, S. Wu, Z. Zhao, and L. Xu, Influence of surface properties on the interfacial adhesion in carbon fiber/epoxy composites, Surf. Interface Anal. 46, 16 (2014) [DOI: 10.1002/sia.5340].
S.F. Waseem, S.D. Gardner, G. He et al., Adhesion and surface analysis of carbon fibres electrochemically oxidized in aqueous potassium nitrate, J. Mater. Sci. 33, 3151 (1998) [DOI: 10.1023/A:1004304124799].
T.J. Webster, M.C. Waid, J.L. McKenzie, R.L. Price, and J.U. Ejiofor, Nano-biotechnology: carbon nanofibres as improved neural and orthopaedic implants, Nanotechnology 15, 48 (2004) [DOI: 10.1088/0957-4484/15/1/009].
M. Yang, Y. Liang, Q. Gui, J. Chen, and Y. Liu, Electroactive biocompatible materials for nerve cell stimulation, Mater. Res. Express 2, 042001 (2015) [DOI: 10.1088/2053-1591/2/4/042001].
C.S.S.R. Kumar, Nanomaterials for Biosensors (Wiley, Weinheim, 2007).
P. Morgan, Carbon Fibers and Their Composites (CRC, Boca Raton, 2005).
L.-G. Tang, and J.L. Kardos, A review of methods for improving the interfacial adhesion between carbon fiber and polymer matrix, Polym. Compos. 18, 100 (1997) [DOI: 10.1002/pc.10265].
P.W. Yip and S.S. Lin, Effect of surface oxygen on adhesion of carbon fiber reinforced composites, MRS Proc. 170, 339 (1989) [DOI: 10.1557/PROC-170-339].
R.L. Price, K.M. Haberstroh, and T.J. Webster, Improved osteoblast viability in the presence of smaller nanometre dimensioned carbonfibres, Nanotechnology 15, 892 (2004) [DOI: 10.1088/0957-4484/15/8/004].
D.J. Hak, C. Mauffrey, D. Seligson, and B. Lindeque, Use of carbon-fiber-reinforced composite implants in orthopedic surgery, Orthopedics 37, 825 (2014) [DOI: 10.3928/01477447-20141124-05].
R. Hillock and S. Howard, Utility of carbon fiber implants in orthopedic surgery: literature review, JISRF Recon. Rev. 4, 23 (2014) [DOI: 10.15438/rr.v4i1.55].
C.S. Li, C. Vannabouathong, S. Sprague, and M. Bhandari, The use of carbon-fiber-reinforced (CFR) PEEK material in orthopedic implants: A systematic review, Clin. Med. Insights Arthritis Musculoskelet Disord. 8, 33 (2015) [DOI: 10.4137/CMAMD.S20354].
S.C. Tjong Advances in Biomedical Sciences and Engineering, edited by S.C. Tjong (Bentham, Hong-Kong, 2009), p. 143.
P. Aloukos, I. Papagiannouli, A.B. Bourlinos et al., Thirdorder nonlinear optical response and optical limiting of colloidal carbon dots, Optics Exp. 22, 12013 (2014) [DOI: 10.1364/OE.22.012013].
A.B. Bourlinos G. Trivizas, M.A. Karakassides et al., Green and simple route toward boron doped carbon dots with significantly enhanced non-linear optical properties, Carbon 83, 173 (2015) [DOI: 10.1016/j.carbon.2014.11.032].
I.M. Belousova D.A. Videnichev, I.M. Kislyakov et al., Comparative studies of optical limiting in fullerene and shungite nanocarbon aqueous dispersions, Opt. Mater. Exp. 5, 169 (2015) [DOI: 10.1364/OME.5.000169].
S. Couris and N. Liaros, Proc. of 16th Intern. Confer. on Transparent Optical Networks (ICTON), edited by M. Jaworski, and M. Marciniak (IEEE & National Institute of Telecommunications, Warsaw, 2014), p. 1 [DOI: 10.1109/ICTON.2014.6876558].
M.G. Papadopoulos, A.J. Sadlej, and J. Leszczynski, NonLinear Optical Properties of Matter: From Molecules to Condensed Phases (Springer, Dordrecht, 2006).
V.E. Diyuk, A.N. Zaderko, K.I. Veselovska, and V.V. Lisnyak, Functionalization of surface of carbon materials with bromine vapors at mediate high temperature: a thermogravimetric study, J. Therm. Anal. Calorim. 120, 1665 (2015) [DOI: 10.1007/s10973-015-4495-2].
K.-C. Xie, Structure and Reactivity of Coal (Springer, Berlin, 2015).
S.L. Goertzen, K.D. Th´eriault, A.M. Oickle et al., Standardization of the Boehm titration. Part I. CO2 expulsion and endpoint determination, Carbon 48, 1252 (2010) [DOI: 10.1016/j.carbon.2009.11.050].
A.M. Oickle, S.L. Goertzen, K.R. Hopper et al., Standardization of the Boehm titration: Part II. Method of agitation, effect of filtering and dilute titrant, Carbon 48, 3313 (2010) [DOI: 10.1016/j.carbon.2010.05.004].
V.E. Diyuk, A.N. Zaderko, L.M. Grishchenko et al., Efficient carbon-based acid catalysts for the propan-2-ol dehydration, Catal. Commun. 27, 33 (2012) [DOI: 10.1016/j.catcom.2012.06.018].
K.I. Veselovs’ka, V.L. Veselovs’kyi, O.M. Zaderko et al., Effect of the oxidation and thermal treatment on bromination of activated carbon, J. Superhard Mater. 37, 39 (2015) [DOI: 10.3103/S1063457615010062].
V.Ya. Gayvoronsky, A.S. Popov, M.S. Brodyn et al., in: Nanocomposites, Nanophotonics, Nanobiotechnology, and Applications, edited by O. Fesenko, and L. Yatsenko (Springer, Heidelberg, 2015).
W.L. Smith, in: CRC Handbook of Laser Science and Technology, edited by M.J. Weber (CRC, Boca Raton, 1988).
H. Looyenga, Dielectric constants of heterogeneous mixtures, Physica 31, 401 (1965) [DOI: 10.1016/0031-8914(65)90045-5].
S.O. Nelson, D.P. Lindroth, and R.L. Blake, Restricted access. Dielectric properties of selected minerals at 1 to 22 GHz, Geophysics 54, 1344 (1989) [DOI: 10.1190/1.1442596].
J.G. Speight, The Chemistry and Technology of Coal (CRC, Boca Raton, 2012).
J.L. Figueiredo, M.F.R. Pereira, M.M.A. Freitas, and J.J.M. Orf˜ao, Modification of the surface chemistry ´ of activated carbons, Carbon 37, 1379 (1999) [DOI: 10.1016/S0008-6223(98)00333-9].
W. Shen, Z. Li, and Y. Liu, Surface chemical functional groups modification of porous carbon, Rec. Pat. Chem. Eng. 1, 27 (2008) [DOI: 10.2174/2211334710801010027].
V.E. Diyuk, R.T. Mariychuk, and V.V. Lisnyak, Barothermal preparation and characterization of micro-mesoporous activated carbons, J. Therm. Anal. Calorim. 124, 1119 (2016) [DOI: 10.1007/s10973-015-5208-6].
L.P. Vera, J.A. P´erez, and H. Riascos, Spectroscopic study of emission coal mineral plasma produced by laser ablation, J. Phys.: Conf. Ser. 511, 012063 (2014) [DOI: 10.1088/1742-6596/511/1/012063].
R. Zhang, Y. Achiba, K.J. Fisher et al., Laser ablation mass spectrometry of pyrolyzed Koppers coal-tar pitch: a precursor for fullerenes and metallofullerenes, J. Phys. Chem. B 103, 9450 (1999) [DOI: 10.1021/jp9910791].
B.J. Stagg and T.T. Charalampopoulos, Refractive indices of pyrolytic graphite, amorphous carbon, and flame soot in the temperature range 25 to 600 C, Combust. Flame 94, 381 (1993) [DOI: 10.1016/0010-2180(93)90121-I].
N. Liaros, P. Aloukos, A. Kolokithas-Ntoukas et al., Nonlinear optical properties and broadband optical power limiting action of graphene oxide colloids, J. Phys. Chem. 117, 6842 (2013) [DOI: 10.1021/jp400559q].
S. Husaini, A. Lesko, E.M. Heckman, and R.G. Bedford, Engineered bio-compatible graphene nanomaterials for nonlinear applications, Opt. Mater. Exp. 5, 102 (2015) [DOI: 10.1364/OME.5.000102].
I. Papagiannouli, A.B. Bourlinos A. Bakandritsos, and S. Couris, Nonlinear optical properties of colloidal carbon nanoparticles: nanodiamonds and carbon dots, RSC Adv. 4, 40152 (2014) [DOI: 10.1039/C4RA04714A].
E.F. Venger, A.V. Goncharenko, and N.L. Dmitruk, Optics of Small Particles and Dispersed Media (Naukova Dumka, Kyiv, 1999) (in Ukrainian).
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
