Ανάπτυξη και μελέτη καινοτόμων δισδιάστατων νανοδομών για τεχνολογικές εφαρμογές

Abstract

The capability to synthesize organic, inorganic or organic-inorganic molecules, almost without restrictions, with the desired structure and functionality, in combination with the thin film deposition technology and the technique of self-assembly, allows the development of electrically, optically and biologically active materials and devices in nanoscale. In addition, the development of spontaneous synthetic methods in a way that release energy (exothermic) at ambient conditions would be of great value in the synthesis of carbon nanomaterials.In the present dissertation, it was conducted the synthesis of various novel two-dimensional nanostructures by means of Langmuir – Schaefer (LS) technique in combination with self-assembly. Via this method, it was carried out the fabrication through layer-by-layer deposition and intercalation chemistry of a new type of clay-based hybrid film, where functionalized single carbon nanotubes are sandwiched between nanometer-sized smectite clay platelets. In addition, by using the same method (bottom-up technique), molecules of cytochrome c were sandwiched between the graphene oxide and clay nanosheets. In this way, novel hybrid materials were created, from the interaction of two-dimensional inorganic nanostructures with the protein molecules.Hypergolics constitutes a new synthesis tool for the rapid and spontaneous preparation of a wide variety of carbon nanomaterials at ambient conditions and are used for the first time in the literature. The carbon based nanomaterials that have been developed comprize almost the entire range of known carbon nanostructures (nanosheets, fluorescent carbon dots, high crystallinity graphite, hollow and dense carbon nanospheres, magnetic nanoparticles, carbon nanodiscs, etc.). The hybrid thin films as well as the produced nanostructures, developed by hypergolic reactions were characterized by a large number of experimental techniques (XRD, XRR, FTIR, ATR, Raman, UV-vis, porosimetry N2, XPS, SEM, AFM, HRTEM). All the nanostructures produced either by Langmuir-Schaefer technique or by hypergolic reactions were used in biocatalysis, in thermophotovoltaic panels, in the synthesis of photoluminescent polymer nanocomposites, in the adsorption of Cr6+ from aqueous solutions, in decolorization of organic dyes and in polymers recycling.

Η δυνατότητα σύνθεσης οργανικών, ανόργανων ή οργανικών-ανόργανων μορίων, σχεδόν χωρίς περιορισμούς, με την επιθυμητή δομή και λειτουργικότητα, σε συνδυασμό με την τεχνολογία εναπόθεσης λεπτών υμενίων και την τεχνική της αυτo-οργάνωσης ή αυτοδιάταξης (self-assembly), επιτρέπει την παραγωγή ηλεκτρικών, οπτικών και βιολογικά ενεργών υλικών και διατάξεων στην κλίμακα των νανομέτρων. Επιπλέον, η ανάπτυξη αυθόρμητων συνθετικών μεθόδων με τρόπο που ελευθερώνουν ενέργεια (εξώθερμες) σε συνθήκες περιβάλλοντος θα είχε μεγάλη αξία στη σύνθεση νανοϋλικών άνθρακα. Στη παρούσα διατριβή, πραγματοποιήθηκε η σύνθεση ποικίλλων καινοτόμων δισδιάστατων νανοδομών μέσω της Langmuir – Schaefer (LS) τεχνικής σε συνδυασμό με την αυτό-οργάνωση. Με τη συγκεριμένη μέθοδο αναπτύχθηκε επίπεδο -με- επίπεδο (layer-by-layer) μια πολυστρωματική υπερδομή φυλλόμορφου αργίλου, στον ενδοστρωματικό χώρο της οποίας βρίσκονται εντεθειμένοι χημικά τροποποιημένοι νανοσωλήνες μονού τοιχώματος μέσω της 1,3 αντίδραση διπολικής κυκλοπροσθήκης. Επιπλέον, μέσω της ίδιας μεθόδου (bottom-up τεχνική) πραγματοποιήθηκε η ένθεση μορίων της πρωτεΐνης του κυτοχρώματος c στον ενδοστρωματικό χώρο του οξειδίου του γραφενίου και της αργίλου. Με τον τρόπο αυτό, δημιουργήθηκαν καινοτόμα υβριδικά υλικά, τα οποία προκύπτουν από την αλληλεπίδραση δισδιάστατων ανόργανων νανοδομών με τα μόρια πρωτεϊνης. Οι υπεργολικές αντιδράσεις αποτελούν ένα νέο εργαλείο σύνθεσης για την ταχεία και αυθόρμητη προετοιμασία μιας μεγάλης ποικιλίας νανοϋλικών άνθρακα σε συνθήκες περιβάλλοντος και χρησιμοποιούνται για πρώτη φορά στη διεθνή βιβλιογραφία. Τα νανοϋλικά άνθρακα, τα οποία αναπτύχθηκαν περιλαμβάνουν σχεδόν όλο το εύρος των γνωστών νανοδομών άνθρακα (νανοφυλλίδια, φθορίζουσες τελείες άνθρακα, υψηλής κρυσταλλικότητας γραφίτη, κοίλες και συμπαγείς νανοσφαίρες άνθρακα, μαγνητικά νανοσωματίδια, νανοδίσκοι άνθρακα κ.ά.). Τα υβριδικά υπέρλεπτα υμένια όσο και οι τελικές νανοδομές, οι οποίες προέκυψαν μέσω των υπεργολικών αντιδράσεων χαρακτηρίστηκαν με ένα πλήθος πειραματικών τεχνικών (XRD, XRR, FTIR, ATR, Raman, UV-vis, ποροσιμετρία N2, XPS, SEM, AFM, HRTEM). Όλες οι παραγόμενες νανοδομές είτε μέσω της Langmuir – Schaefer τεχνικής είτε μέσω των υπεργολικών αντιδράσεων χρησιμοποιήθηκαν σε ποικίλλες εφαρμογές, όπως στη βιοκατάλυση, σε θερμοφωτοβολταϊκά πάνελ, στη σύνθεση νανοσύνθετων φωταυγών πολυμερικών υλικών, στην προσρόφηση εξασθενούς χρωμίου από υδατικά διαλύματα, ως υλικά προσρόφησης ηλιακής ενέργειας, στον αποχρωματισμό οργανικών βαφών και στην ανακύκλωση πλαστικών.