Verwarmde diëlektroforese voor uitgelijnde enkelwandige koolstof nanobuisfilm met ultrahoge dichtheid

Resultaten en discussie

De SEM-waarnemingen van beide monsters worden getoond in Fig. 2. De rode rechthoeken geven de overeenkomstige vergrote gebieden aan. De tweekoppige pijlen geven de breedtes weer van geïndividualiseerde SWCNT-verzamelgebieden. De twee pijlen geven de koffiekringen aan die ontstaan ​​tijdens het droogproces van nanobuisjesoplossing. Voor monster B kunnen we, door de contouren van koffieringen en SWCNT-film in de DEP-groeven te vergelijken, zeker besluiten dat SWCNT-film werd gevormd vanwege de DEP-krachtgeïnduceerde verzameling en uitlijning, maar niet vanwege het koffieringeffect. Ter vergelijking:we kunnen zien dat de uitlijningsdichtheid van geïndividualiseerde SWCNT's op monster B veel hoger is dan die op monster A, dus verwarming verbeterde het DEP-proces op monster B. De intuïtieve vergelijking met de hoogste uitlijningsdichtheid die momenteel wordt gerapporteerd in referenties [3] en [4] laat zien dat de uitlijningsdichtheid van SWCNT's op monster B ook veel hoger is.

SEM-waarnemingen van monsters A en B. De rode rechthoeken geven de bijbehorende vergrote gebieden aan. De dubbelkoppige pijlen presenteren de breedtes van geïndividualiseerde SWCNT-verzamelgebieden. De twee pijlen geef de koffieringen aan die ontstaan ​​​​tijdens het droogproces van nanobuisjesoplossing. Voor monster B kunnen we, door de contouren van koffieringen en SWCNT-film in de DEP-groeven te vergelijken, zeker besluiten dat SWCNT-film werd gevormd vanwege de DEP-krachtgeïnduceerde verzameling en uitlijning, maar niet vanwege het koffieringeffect. De uitlijningsdichtheid van geïndividualiseerde SWCNT's op monster B is veel hoger dan die op monster A. De weerstanden gemeten tussen de elektroden met uitgelijnde SWCNT's zijn ~20 MΩ voor monster A en ~50 KΩ voor monster B

De weerstanden gemeten tussen de elektroden met uitgelijnde SWCNT's zijn ongeveer 20 MΩ voor monster A en ongeveer 50 KΩ voor monster B. Hier nemen we aan dat de breedtes (5 m) van DEP-groeven gelijk zijn aan de lengtes van de geïndividualiseerde SWCNT's uitgelijnd in DEP groeven en dat de specifieke weerstanden en diameters van alle geïndividualiseerde SWCNT's hetzelfde zijn, en dan worden de weerstanden tussen de elektroden voornamelijk bepaald door het totale dwarsdoorsnede-oppervlak en dus het aantal geïndividualiseerde SWCNT's uitgelijnd in DEP-groeven met een omgekeerd evenredige relatie als volgt:

waar R , ρ , L , S , en N zijn respectievelijk de weerstand, specifieke weerstand, lengte, dwarsdoorsnede en het aantal geïndividualiseerde SWCNT's in de DEP-groeven. De subscripts A en B duiden respectievelijk monsters A en B aan. We kunnen zien dat het aantal geïndividualiseerde SWCNT's uitgelijnd in DEP-groeven op monster B ongeveer 400 keer hoger is dan dat op monster A, dus de uitlijningsdichtheid van SWCNT's werd aanzienlijk verbeterd door verwarming.

Om het HE-DEP-proces op SWCNT's te analyseren, hebben we massieve staafvormige ellipsoïde deeltjes gebruikt om de rol van de geïndividualiseerde SWCNT's te spelen voor het simuleren van de DEP-krachtveldverdeling. In het simulatiewerk gebruikten we de volgende uitdrukking van DEP force \( {\overset{\rightharpoonup }{F}}_{\mathrm{DEP}} \) [10, 11]:

waar

De fysische of wiskundige significanties van alle operators en de parameters, evenals hun waarden die worden gebruikt in de simulaties voor de gevallen met (100 °C) en zonder (20 °C) verwarming, staan ​​vermeld in tabel 1, waar de waarden van ε _p en σ _p,m worden geschat door te verwijzen naar referentie [12] en rekening te houden met de geleidbaarheidstoename van SWCNT-oplossing als gevolg van het verwarmingseffect en NaCh-ionisatie. Voor vereenvoudiging van het model worden SWCNT's beschouwd als nanostaafjes met een lengte van 1000 nm (a ) en straal van 1 nm (b , c ), en deze waardeselecties zijn relevant voor onze in oppervlakteactieve stof gewikkelde HiPCO SWCNT's.

De overeenkomstige gesimuleerde richting en waardecontour van DEP-kracht uitgeoefend op geïndividualiseerde SWCNT's bij 20 en 100 ° C zijn uitgezet in Fig. 3. De lengtes van de DEP-krachtpijlen zijn evenredig met de logaritme van de DEP-krachtwaarde. De buitenste quasi-hemicycle-contouren met een diameter van ongeveer 25 μm komen overeen met de DEP-kracht van ~10 ⁻¹⁶ N. De maximale DEP-krachten bevinden zich op de eindpunten van de elektroden. Door de richting en waardecontour van DEP-kracht in beide gevallen te vergelijken, kunnen we zien dat de temperatuurstijging van 20 tot 100 ° C niet leidt tot significante veranderingen in de orde van grootte van DEP-kracht. Zeker is dat DEP-kracht alleen in een bepaald klein gebied en daarbuiten functioneert; DEP-kracht neemt abrupt af, zoals kan worden weerspiegeld door de breedte van SWCNT's-verzamelende gebieden weergegeven door de tweekoppige pijlen in Fig. 2. Buiten deze gebieden is de SWCNT-uitlijningsdichtheid bijna nul. Gezien de DEP-krachtverdeling in figuur 3, kunnen we zien dat de breedtes van deze gebieden kwalitatief de DEP-krachtwaarden weerspiegelen:hoe groter de breedtes, hoe groter de DEP-krachten.

De overeenkomstige DEP-kracht die wordt uitgeoefend op geïndividualiseerde SWCNT's bij respectievelijk 20 en 100 ° C. De pijlen en de quasi-hemicycles geven respectievelijk de richting en waardecontour van DEP-kracht aan. De eenheid van lengte is m. De lengtes van de DEP-krachtpijlen zijn evenredig met de logaritme van de DEP-krachtwaarde. De buitenste quasi-hemicycle-contouren met een diameter van ongeveer 25 μm komen overeen met de DEP-kracht van ~10 ⁻¹⁶ N. De maximale DEP-krachten bevinden zich op de eindpunten van de elektroden

De beweging van deeltjes onder het verwarmingseffect is een nogal complex proces, waarbij veel krachten, waaronder zwaartekracht, thermoforetische kracht, viskeuze weerstandskracht, thermodiffusiekracht, opwaartse kracht, Brownse kracht, enzovoort, in aanmerking moeten worden genomen. Tot op heden is er nog steeds geen consensus bereikt over sommige van deze krachten en het is onmogelijk om hun respectieve specifieke gewicht kwantitatief toe te kennen. Voor de eenvoud en beknoptheid wijzen we de optelling van al deze krachten exclusief DEP-kracht toe aan een convectiekracht, zodat we het DEP-proces en het convectieproces tijdens het simulatiewerk kunnen differentiëren. Vervolgens zullen we het DEP-proces demonstreren dat wordt verbeterd door de convectiekracht (of convectieproces) en het niveau van convectiekracht afleiden uit de DEP-krachtverdeling en de afzetting of uitlijningsverdeling van geïndividualiseerde SWCNT's in de buurt van DEP-groeven. Volgens de simulatie resultaten, thermische equilibratie van de SWCNT-oplossing kan snel worden bereikt in 0,2 s wanneer de temperatuur stijgt van 20 tot 100 ° C. Uit de snelheidsverdeling van natuurlijke convectie in de SWCNT-oplossing verwarmd tot 100 ° C op twee verschillende tijdstippen met een interval van 120 s, zoals weergegeven in figuur 4, kunnen we zien dat de richting van convectie grillig is en snel verandert, en dat de afmetingen van convectiewervels zijn op het niveau van de diepte (100 m) van SWCNT-oplossing, wat aangeeft dat de convectie geïndividualiseerde SWCNT's in de afmetingen van 100 μm  ×  100 μm (2D) kan brengen in de buurt van DEP-groeven. Bovendien kunnen we ook de uitwisseling en overdracht van geïndividualiseerde SWCNT's tussen naburige convectiewervels vinden, wat aangeeft dat geïndividualiseerde SWCNT's verder dan 100 μm van DEP-groeven ook naar de nabijheid van DEP-groeven kunnen worden gebracht. Wanneer de geïndividualiseerde SWCNT's ver van DEP-groeven een "lange" weg afleggen met behulp van convectie en in de buurt van DEP-groeven komen, waar de convectiekracht de sterke positieve DEP-kracht niet kan overwinnen (DEP-krachtrichting naar de maxima van de elektrische veld), worden ze opgevangen door DEP-kracht, wat resulteert in de afzetting en uitlijning van deze "externe" geïndividualiseerde SWCNT's in de buurt van DEP-groeven, zoals getoond op monster B in Fig. 2. Bovendien wordt de turbulente convectie veroorzaakt door het dichtheidsverschil bij verschillende temperaturen [http://www.engineeringtoolbox.com/water-thermal-properties-d_162.html] ook gegarandeerd en zeer efficiënt dit overdrachtsproces verbeterd met een snelheid in millimeter per seconde [https://thayer.dartmouth .edu/~d30345d/books/EFM/chap7.pdf]. De afwezigheid van zowel snel veranderende convectiewervels als turbulente convectie bij 20 ° C, onthuld door simulatiewerk, suggereert daarentegen de tekortkoming van SWCNT-overdracht tussen verschillende gebieden, en resulteert dus in de lage uitlijningsbehoefte. Dit is een redelijke verklaring voor het verschil in uitlijningsdichtheid tussen monsters A en B in figuur 2 en dus voor het door verhitting versterkte DEP-proces. Hier claimen we ook sterk de herhaalbaarheid van dit door verhitting verbeterde DEP-proces.

De snelheidsverdeling van natuurlijke convectie in de SWCNT-oplossing verwarmd tot 100 ° C. De rode pijlen wijs de posities van DEP-groeven aan. Op twee verschillende tijdstippen met een interval van 120 s, is de richting van convectie grillig en verandert snel, en de afmetingen van convectiewervels zijn op het niveau van de diepte (100 m) van SWCNT-oplossing, wat aangeeft dat de convectie kan brengen geïndividualiseerde SWCNT's in de afmetingen van 100 μm  ×  100 μm (2D) in de buurt van DEP-groeven

Op basis van de bovenstaande aannames dat de breedtes van de SWCNT's-verzamelgebieden de DEP-krachtwaarden weerspiegelen en dat als de convectiekracht de DEP-kracht in de buurt van DEP-groeven niet kan overwinnen, geïndividualiseerde SWCNT's zullen worden gegrepen door de DEP-kracht, kunnen we overwegen die convectiekracht komt overeen met DEP-kracht op de twee grenzen van de SWCNT's-verzamelgebieden (20 ~ 30 μm zoals weergegeven in figuur 2), dus het is een nieuwe manier om de convectiekracht te beoordelen. In het geval van verwarming (100 °C) ligt de gesimuleerde DEP-kracht rond deze twee grenzen in het niveau van 10 ⁻¹⁶ N (Fig. 3), en dus zou de convectiekracht niet ver van deze waarde moeten zijn.

We merken ook op dat de DEP-kracht bij 100 ° C zwakker is dan die bij 20 ° C (Fig. 3); er is echter bijna geen verandering in de breedte van SWCNT-verzamelgebieden (Fig. 2). We schrijven de reden toe aan het verschil in viskeuze weerstandskracht van water bij beide temperaturen (http://www.engineeringtoolbox.com/absolute-dynamic-viscosity-water-d_575.html). Van alle bovengenoemde convectiekrachtelementen speelt viskeuze sleepkracht de belangrijkste rol in de concurrentie met DEP-kracht, en vertoont een afnemende relatie met de temperatuurstijging (http://www.engineeringtoolbox.com/absolute-dynamic-viscosity- water-d_575.html). Bijgevolg vereist de kleinere viskeuze weerstandskracht van water bij 100 °C dienovereenkomstig een kleinere DEP-kracht, die toevallig aan de vereiste voldoet.

Een andere factor die verantwoordelijk is voor de toename van de geïndividualiseerde SWCNT-uitlijningsdichtheid kan de geleidelijke toename van de SWCNT-concentratie zijn die wordt veroorzaakt door de verdamping van oplosmiddel (water), maar volgens de algnmentresultaten van SWCNT's op monster A lijkt deze factor geen grote rol te spelen . Volgens de bovenstaande analyse is het unieke significante verschil tussen monsters A en B of de door verwarming geïnduceerde intense convectie aanwezig is of niet, dus het is overtuigend om de reden van de veel hogere SWCNT-uitlijningsdichtheid op monster B toe te schrijven aan de verwarmings- geïnduceerd intens convectieproces, en daarom is het krachtig om te zeggen dat verwarming het DEP-proces kan verbeteren.