Synthesis and characterization of carbon nanotubes-inorganic hybrid nanocomposites

Resumen

En este resumen se pretende ofrecer una visión global del trabajo que se describe a lo largo de los capítulos que conforman la presente tesis. En ella se ha llevado a cabo la funcionalización de nanotubos de carbono (CNT) con diferentes clases de nano-materiales y la caracterización de las propiedades eléctricas, mecánicas y electro-mecánicas de estos compuestos. Los materiales híbridos obtenidos en este trabajo presentan propiedades de interés por su utilidad en diversas aplicaciones. Objetivo El principal objetivo de esta tesis se centra en la síntesis de compuestos híbridos nanoestructurados basados en nanotubos de carbono (CNTs) y en el estudio de sus propiedades eléctricas, magnéticas, mecánicas y electro-mecánicas. Tanto los CNTs como las películas y fibras formadas con ellos son utilizados como soportes ¿templates¿ para deposición de diferentes materiales orgánicos o inorgánicos, debido a sus excelentes propiedades intrínsecas";" las cuales dependen de su estructura unidimensional. La funcionalización de CNTs con distintas clases de nanomateriales hace que estos nanocompuestos híbridos tengan propiedades adicionales, haciendo posible su uso en un amplio rango de aplicaciones. De esta forma, podemos dividir este trabajo en cuatro partes principales: El capítulo 2 se centra en la síntesis de materiales nanoestructurados de CNTs recubiertos con nanopartículas (NPs) de Pt y una capa de sílice homogénea, así como en el estudio del proceso de sinterizado de NPs a altas temperaturas. El proceso de sinterizado de nanopartículas responde a un mecanismo de “Ostwald ripening” que se produce en un nano-espacio confinado al estar encapsulado el nanocompuesto hibrido por una capa homogénea de sílice, la cual es estable a alta temperatura. El capítulo 3 se centra en la modificación de transporte eléctrico en películas de CNTs dependiendo del número de capas de polielectrolito (PE) depositadas en la superficie de CNTs. La combinación de la funcionalización no-covalente de CNTs con polímeros y la técnica de ensamblado LbL (capa-por-capa) permiten controlar el número de capas de PEs depositadas en la superficie de los CNTs. Las redes de CNTs son ideales debido a su fácil manipulación, que permite la modificación de propiedades eléctricas y del poder termoeléctrico. Así estas películas de CNTs podrían ser aptas para la fabricación de transistores plásticos en los que el recubrimiento de polímero puede actuar como puerta dieléctrica. El capítulo 4 describe las estrategias sintéticas de películas magnéticas de CNTs, destacando el control de transporte electrónico en dichas redes a través del material magnético. Los CNTs son primeramente funcionalizados con nanopartículas catalíticas siendo claves en la formación de material magnético. Estas películas híbridas combinan propiedades eléctricas y magnéticas haciendo que sean muy interesantes para su uso en almacenamiento de datos. Las medidas de conductividad, efecto Seebeck y magneto-resistencia realizadas permiten evaluar los fenómenos de transporte en tales redes. El capítulo 5 se centra en el uso de redes de CNTs oxidados como soportes para la nucleación de hidroxiapatita. Debido a su alta relación de aspecto similar a las fibras de colágeno y a su gran resistencia, los CNTs son buenos candidatos como material de refuerzo para su aplicación en ingeniería de tejido óseo. El proceso de biomineralización en CNTs se estudia con dos fluidos simulados, demostrando el rol de los CNTs en la orientación del crecimiento de cristales de Ca-P. El capítulo 6 describe la síntesis y la caracterización de microactuadores electromecánicos basados en CNTs. La elongación o contracción de los nanotubos de carbonos de una sola capa (SWNTs) ocurre como forma de respuesta a la inyección de carga de doble capa en la superficie de los mismos. Las diferentes funcionalizaciones de fibras de CNTs llevadas a cabo aportan mejoras en las propiedades mecánicas relacionadas con fenómenos de fuerza y relajación de los materiales estudiados.The aim of the work presented in this thesis comprises the synthesis of hybrid nanostructured composites based on carbon nanotubes (CNTs), as well as the study of their electrical, magnetic, mechanical and electro - mechanical properties. CNTs and assemblies of nanotub es such as CNT networks and CNT fibers are used as templates due to their excellent intrinsic structure - dependent properties. The functionalization of CNT supports with different kinds of nanomaterials gives additional properties to the hybrid CNT composit es making possible their use in a wide range of applications.So, we can divide this work in four main parts: Chapter 2 focuses on the synthesis of nanostructured materials of CNTs doped with platinum nanoparticles coated with a homogeneous silica shell an d the study of the nanoparticle sintering process at higher temperatures. The nanoparticle sintering responds to an Ostwald ripening mechanism in a confined cylindrical nano - space of the encapsulated composites. Chapter 3 covers the tuning of the electron transport in CNT films through the number of polyelectrolyte (PE) layers deposited onto the CNTs surface. The combination of the non - covalent CNT polymer wrapping and the Layer - by - Layer self - assembly are suitable techniques to get control over the number o f PE - layers deposited onto the CNTs surface. CNT networks are ideal because of their easier manipulation allowing as well the tuning of the electric properties and thermoelectric power . Therefore, these CNT films are suitable for the fabrication of CNT pla stic transistors where the polymer coating can act as a dielectric gate. Chapter 4 describes the synthetic strategies of magnetic CNT films, pointing out the control of the electronic transport in the nanotube network by the magnetic material. Herein, CNTs are extra functionalized with catalytic NPs which play a crucial role in the formation of magnetic material. These hybrid CNT films combine electric and magnetic properties making them interesting for storage data applicatio ns. So, conductivity, Seebeck effect and magnetoresistance are used as sensitive tools to assess the transport phenomena in these networks. Chapter 5 comprises the use of oxidized CNTs as scaffolds for the nucleation of hydroxyapatite. Due to their unique structure - dependent mechanical properties, their high aspect ratio, high strength similar to collagen fibrils, CNTs are promising candidates as reinforcing material for bone tissue engineering. The biomineralization process on the CNTs is studied with two simulated fluids demonstrating the role of CNTs in the growth orientation of Ca - P crystals. Chapter 6 describes the synthesis and characterization of carbon nanotube - based electromechanical micro - actuators. The elongation or contraction of SWNTs occurs in response to a double - layer charge injection at the nanotube surface. The different functionalization of the CNT fibers provides improvements of actuator properties regarding the stress relaxation of the investigated materials.