나노튜브막

Nanotube membrane
멤브레인 나노튜브와 혼동해서는안 된다.
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나노튜브 막은 벌집의 세포처럼 불침투성 필름 매트릭스의 표면에 수직으로 향하게 된, 하나의 단선 나노튜브(CNT) 또는 일련의 나노튜브로 구성된 필름이다. 나노튜브 막을 잘 알려진 전통적인 다공성 막으로 구별하기 위해서는 '임퍼머블'이 여기서 필수적이다. 유체와 가스 분자는 일제히 그 막을 통과할 수 있지만 나노튜브를 통해서만 통과할 수 있다. 예를 들어, 물 분자는 CNT를 통과할 때 체인처럼 작용하는 수소 결합을 주문한다. 이것은 소수성 인터페이스의 "슬립 길이"와 관련된 나노튜브와 물 사이의 거의 무마찰적이거나 원자적으로 매끄러운 인터페이스를 초래한다. 모공벽 내 물의 비연속적 거동을 설명하는 슬립 길이와 같은 성질은 단순한 유체역학 계통에서 무시되며 하겐-포이세유 방정식에서는 제외된다. 분자 동적 시뮬레이션은 슬립 길이를 고려한 다양한 형태의 Hagen-Poiseuille 방정식을 가진 탄소 나노튜브를 통한 물 분자의 흐름을 더 잘 특성화한다.[1][2]

단일 튜브 막(150nm)을 통한 폴리스티렌 입자(직경 60, 100nm)의 운반이 2000년에 보고되었다.[3] 곧이어 다벽 탄소나노튜브와 이중벽 탄소나노튜브로 구성된 앙상블 막이 제작되어 연구되었다.[4] 다벽관(내경 7nm)[5]과 이중벽관(내경 2nm)에 대해 Hagen-Poiseuil 방정식을 통해 물이 고전적인 유체역학보다 최대 5배 더 큰 규모로 막의 그래피티 나노튜브 코어를 통과할 수 있다는 것을 보여주었다.[6]

홀트 외 연구원의 실험에서,[6] 순수한 물(~1.0020 cP 점성)은 막 플럭스와 두께가 다양한 질화 실리콘 매트릭스의 이중벽 탄소 나노튜브 표본 3개를 통해 운반되었다. 이들 막은 하겐-포아세유 방정식에 의해 계산된 노슬립 유체역학 흐름의 예상 속도보다 3배 이상 빠른 유량이 강화된 것으로 밝혀졌다. 이 결과는 직경 1~2nm의 모공을 가진 나노튜브의 경우 나노초당2 nm당 약 10~40개의 물 분자에 해당한다. Mainak Majumder 등의 유사한 실험에서 고체 폴리스티렌의 지름 약 7nm의 나노튜브의 유체속도를 시험했다.[5] 이러한 결과는 유사하게 나노튜브가 긴 슬립플레인을 가지고 있고 유속은 기존의 유체 흐름 예측보다 4~5배 빠른 것으로 밝혀졌다.

또한 탄소 나노튜브 막(필러 매트릭스 없이 CNT의 외부 표면에 흐르는 것)을 통한 물의 흐름을 전류의 적용을 통해 제어할 수 있음을 입증했다.[7] 나노튜브 막이 언젠가 사용될 수 있는 많은 잠재적 용도들 중 하나는 물의 담수화다.

미트라 외 연구진()8-14은 CNT 기반 막 제작에 있어 새로운 건축을 개척했다. 이 방법은 모공과 막 표면에 탄소 나노튜브를 고정시켜 우월한 막을 만든다. 그들의 연구에서 CNT는 중합체 또는 세라믹 막으로 고정되어 탄소 나노튜브 고정막(CNIM)이라고 불리는 독특한 막 구조의 개발을 이끈다. 이는 CNT를 분산된 형태에서 고정시킴으로써 달성되었다. 그러한 막은 견고하고 열적으로 안정적이며 높은 선택성을 가지고 있다. 여기서 목표는 CNT의 표면이 용액과 직접 상호작용할 수 있도록 CNT를 고정하는 것이다. 이 방법에 의해 생성된 막은 해수 담수화(),8,9 막 추출(),10 물에서 휘발성 유기물을 제거함으로써 정수(),11 수질 오염물질 분석을 위한 마이크로 스케일 멤브레인 추출() 등 다양한 용도에서 플럭스와 선택성이 획기적으로 향상되었다.12-14

2016년에는 대형 CFT막이 최초로 도입됐다. 처음에 이 막들은 훨씬 더 큰 규모로, 이전에 연구소에서 만들어졌던 것과 유사한 평면 시트 형태로 제작되었다. 2017년에는 나노튜브가 막 표면에 방사상 수직으로 향하도록 한 중공섬유막 CNT막 개발을 발표했는데, 이전에는 달성하지 못했던 것이다.[8]

모든 경우에 있어 CNT는 크기나 화학적 친화력에 기초하여 선택하면서 멤브레인 전체에 걸친 대량의 이동을 강화하는 독특한 모공 역할을 한다. 예를 들어 담수화의 경우 CNT는 수분이온의 크기에 기초하여 염의 전달을 차단하거나 감소시키면서 물의 수송을 강화한다. 정수, 과대포장, 추출 등 유기물을 제거하는 경우 CNT 막이 유기체에 우선적으로 스며들어 이전에는 증류 등의 방법으로만 가능했던 분리가 가능하다. 유기/물 분리의 한 예는 물에서 에탄올을 분리하는 것인데, CNT 막이 에탄올 수송에 거의 이상적인 선택성을 보이는 응용 프로그램이다.[9][10]

선로식 식각막에서의 나노포어 측정

1960년대 후반 추적기술 발견 이후 필요한 직경의 여과막은 식품안전, 환경오염, 생물학, 의학, 연료전지, 화학 등 다양한 분야에서 잠재적인 활용 가능성을 찾아냈다. 이러한 선로식 막은 일반적으로 선로식응 절차를 통해 폴리머 막으로 만들어지는데, 이 과정에서 폴리머 막은 무거운 이온빔에 의해 먼저 조사되어 선로를 형성한 다음 습식 후 선로를 따라 원통형 모공이나 비대칭 모공이 생성된다.

여과막 제작만큼이나 중요한 것은 막의 모공 특성화 및 측정이다. 지금까지 몇 가지 방법이 개발되었는데, 이들이 착취한 물리적 메커니즘에 따라 다음과 같은 범주로 분류할 수 있다. 전자 현미경 검사(SEM), 전송 전자 현미경 검사(TEM), 원자력 현미경 검사(AFM), 버블 포인트 및 가스 운반과 같은 액체 수송, 질소 흡착/탈착(BEE), 수은 포로시메트리, 액체-증포 평형(BJH), 가스-액상 평형(Permolitometry) 및 l.iquid-solid 평형(열상포도계);전자 전도성;초음파 분광법;19 분자 수송.

보다 최근에는 나노포어 크기 측정 방법으로 광전송 기법을 사용하는 것이 제안되고 있다.

참고 항목

참조

  1. ^ Hummer, G.; Rasaiah, J. C.; Noworyta, J. P. (2001). "Water conduction through the hydrophobic channel of a carbon nanotube". Nature. 414 (6860): 188–90. Bibcode:2001Natur.414..188H. doi:10.1038/35102535. PMID 11700553.
  2. ^ Sholl, D. S.; Johnson, JK (2006). "Making High-Flux Membranes with Carbon Nanotubes". Science. 312 (5776): 1003–4. doi:10.1126/science.1127261. PMID 16709770.
  3. ^ Li Sun & Richard M. Crooks (2000). "Single Carbon Nanotube Membranes: A Well-Defined Model for Studying Mass Transport through Nanoporous Materials". J. Am. Chem. Soc. 122 (49): 12340–12345. doi:10.1021/ja002429w.
  4. ^ Hinds, B. J.; Chopra, N; Rantell, T; Andrews, R; Gavalas, V; Bachas, LG (2004). "Aligned multiwalled carbon nanotube membranes". Science. 303 (5654): 62–5. Bibcode:2004Sci...303...62H. doi:10.1126/science.1092048. PMID 14645855.
  5. ^ a b Majumder, Mainak; Chopra, Nitin; Andrews, Rodney; Hinds, Bruce J. (2005). "Nanoscale hydrodynamics: Enhanced flow in carbon nanotubes". Nature. 438 (7064): 44. Bibcode:2005Natur.438...44M. doi:10.1038/438044a. PMID 16267546. Lay summary. {{cite journal}}: Cite는 사용되지 않는 매개 변수를 사용한다. lay-url= (도움말)
  6. ^ a b Holt, J. K.; Park, HG; Wang, Y; Stadermann, M; Artyukhin, AB; Grigoropoulos, CP; Noy, A; Bakajin, O (2006). "Fast Mass Transport Through Sub-2-Nanometer Carbon Nanotubes". Science. 312 (5776): 1034–7. Bibcode:2006Sci...312.1034H. doi:10.1126/science.1126298. PMID 16709781. Lay summary. {{cite journal}}: Cite는 사용되지 않는 매개 변수를 사용한다. lay-url= (도움말)
  7. ^ Wang, Zuankai; Ci, Lijie; Chen, Li; Nayak, Saroj; Ajayan, Pulickel M.; Koratkar, Nikhil (2007). "Polarity-Dependent Electrochemically Controlled Transport of Water through Carbon Nanotube Membranes". Nano Lett. 7 (3): 697–702. Bibcode:2007NanoL...7..697W. doi:10.1021/nl062853g. PMID 17295548. Lay summary. {{cite journal}}: Cite는 사용되지 않는 매개 변수를 사용한다. lay-url= (도움말)
  8. ^ "(363d) Radially Aligned Carbon Nanotube Hollow Fiber Membranes AIChE". www.aiche.org. Retrieved 2020-01-23.
  9. ^ Gravelle, Simon; Yoshida, Hiroaki; Joly, Laurent; Ybert, Christophe; Bocquet, Lydéric (2016-09-27). "Carbon membranes for efficient water-ethanol separation" (PDF). The Journal of Chemical Physics. 145 (12): 124708. doi:10.1063/1.4963098. ISSN 0021-9606. PMID 27782663.
  10. ^ Winarto; Takaiwa, Daisuke; Yamamoto, Eiji; Yasuoka, Kenji (2016). "Separation of water–ethanol solutions with carbon nanotubes and electric fields". Physical Chemistry Chemical Physics. 18 (48): 33310–33319. doi:10.1039/C6CP06731J. PMID 27897278.
  11. ^ Li Yang; Qingfeng Zhai; Guijuan Li; Hong Jiang; Lei Han; Jiahai Wang; Erkang Wang (October 2013). "Light Transmission Technique for Pore Size Measurement in Track-Etched Membranes". Chemical Communications. 49 (97): 11415–7. doi:10.1039/c3cc45841e. PMID 24169442.


8. : "순수생성과 농축약품 폐기물의 동시생성을 위한 탄소나노튜브 강화막 증류" 켄 겟하드, 오르시다 새-코우, 소메나트 미트라 90, 239-245, 분리·정화 기술 2012

9.:::"탄소 나노튜브 강화 막 증류를 이용한 담수화" 켄 겟하드, 오르시다 세-코우, 소메나트 미트라. ACS 적용 재료 및 인터페이스. 2011, 3, 110–114.

10.::"탄소 나노튜브 고정화 중공섬유 막에서의 동시 추출 및 농도" 오렌티다 사에코우와 소메나트 미트라. 논어. 화학 2010, 82 (13), 5561-5567.

11.::"탄소 나노튜브 고정화 합성 중공 섬유 막으로 휘발성 유기물을 물에서 과포화 제거". 오렌티다 사에코우와 소메나트 미트라. J. 체육 C. C. 2010, 114,16351-16356

12.::"탄소 나노튜브 고정된 다공성 고분자 막의 조립 및 특성" 오렌티다 사에코우와 소메나트 미트라. J. Matter. Chem, 2009, 19 (22), 3713-3718.

13.:: "탄소 나노튜브 매개 마이크로 스케일 멤브레인 추출" K. Hylton, Y. Chen, S. Mitra, J. Chromatogr. A, 2008, 1211, 43-48

14.: "극성 분석 물질의 강화된 추출을 위한 탄소 나노튜브 고정 극막" 마둘레나. 바드라, 소메나스. 미트라. 분석가. 2012년 137, 4464-4468