Dielektroforesis dengan Pemanasan yang Ditingkatkan untuk Film Tabung Nano Karbon Berdinding Tunggal dengan Densitas Ultratinggi

Hasil dan Diskusi

Pengamatan SEM dari kedua sampel ditunjukkan pada Gambar 2. Persegi panjang merah menunjukkan area yang diperbesar yang sesuai. Panah berkepala dua menunjukkan lebar area pengumpulan SWCNT individual. Dua panah menunjukkan cincin kopi yang timbul selama proses pengeringan larutan nanotube. Untuk sampel B, dengan membandingkan kontur cincin kopi dan film SWCNT di alur DEP, kita dapat dengan pasti memutuskan bahwa film SWCNT terbentuk karena pengumpulan dan penyelarasan yang diinduksi gaya DEP, tetapi bukan karena efek cincin kopi. Sebagai perbandingan, kita dapat menemukan bahwa kerapatan penyelarasan SWCNT individual pada sampel B jauh lebih tinggi daripada pada sampel A, sehingga pemanasan meningkatkan proses DEP pada sampel B. Perbandingan intuitif dengan kerapatan penyelarasan tertinggi saat ini dilaporkan dalam referensi [3] dan [4] menunjukkan bahwa kerapatan keselarasan SWCNTs pada sampel B juga jauh lebih tinggi.

Pengamatan SEM sampel A dan B. persegi panjang merah menunjukkan daerah diperbesar yang sesuai. Panah berkepala dua menyajikan lebar area pengumpulan SWCNT individual. dua panah menunjukkan cincin kopi yang timbul selama proses pengeringan larutan nanotube. Untuk sampel B, dengan membandingkan kontur cincin kopi dan film SWCNT di alur DEP, kita pasti dapat memutuskan bahwa film SWCNT terbentuk karena pengumpulan dan penyelarasan yang diinduksi gaya DEP tetapi bukan karena efek cincin kopi. Kepadatan penyelarasan SWCNT individual pada sampel B jauh lebih tinggi daripada pada sampel A. Resistansi yang diukur antara elektroda dengan SWCNT yang disejajarkan adalah ~20 MΩ untuk sampel A dan ~50 KΩ untuk sampel B

Resistansi yang diukur antara elektroda dengan SWCNT yang disejajarkan adalah sekitar 20 MΩ untuk sampel A dan sekitar 50 KΩ untuk sampel B. Di sini, kami berasumsi bahwa lebar (5 m) alur DEP sama dengan panjang masing-masing SWCNT yang disejajarkan dalam DEP alur dan bahwa resistansi dan diameter spesifik dari semua SWCNT individual adalah sama, dan kemudian resistansi antara elektroda terutama ditentukan oleh luas penampang total dan dengan demikian jumlah SWCNT individual yang disejajarkan dalam alur DEP dengan berbanding terbalik hubungan sebagai berikut:

dimana R , ρ , L , S , dan T adalah resistansi, resistansi spesifik, panjang, luas penampang, dan jumlah SWCNT individual dalam alur DEP, masing-masing. Subskrip A dan B masing-masing menunjukkan sampel A dan B. Kita dapat melihat jumlah SWCNT individual yang disejajarkan dalam alur DEP pada sampel B sekitar 400 kali lebih tinggi dari pada sampel A, sehingga kerapatan penyelarasan SWCNT sangat ditingkatkan dengan pemanasan.

Untuk menganalisis proses HE-DEP pada SWCNT, kami menggunakan partikel elipsoid berbentuk batang padat untuk memainkan peran SWCNT individual untuk mensimulasikan distribusi medan gaya DEP. Dalam pekerjaan simulasi, kami menggunakan ekspresi gaya DEP berikut \( {\overset{\rightharpoonup }{F}}_{\mathrm{DEP}} \) [10, 11]:

dimana

Signifikansi fisik atau matematis dari semua operator dan parameter, serta nilainya yang digunakan dalam simulasi untuk kasus dengan pemanasan (100 °C) dan tanpa pemanasan (20 °C), tercantum dalam Tabel 1, di mana nilai ε _p dan σ _p,m diperkirakan dengan mengacu pada referensi [12] dan mempertimbangkan peningkatan konduktivitas larutan SWCNT karena efek pemanasan dan ionisasi NaCh. Untuk penyederhanaan pemodelan, SWCNT dianggap sebagai nanorod dengan panjang 1000 nm (a ) dan radius 1 nm (b , c ), dan pilihan nilai ini relevan untuk SWCNT HiPCO kami yang dibungkus surfaktan.

Arah simulasi yang sesuai dan kontur nilai gaya DEP yang diberikan pada SWCNT individual pada 20 dan 100 °C diplot pada Gambar. 3. Panjang panah gaya DEP sebanding dengan logaritma nilai gaya DEP. Kontur kuasi-hemicycle terluar dengan diameter sekitar 25 μm sesuai dengan gaya DEP ~10 ⁻¹⁶ N. Gaya DEP maksimum terletak di titik ujung elektroda. Dengan membandingkan arah dan kontur nilai gaya DEP dalam kedua kasus, kita dapat menemukan bahwa kenaikan suhu dari 20 ke 100 °C tidak menyebabkan perubahan yang signifikan dari urutan besarnya gaya DEP. Dapat dipastikan bahwa kekuatan DEP hanya berfungsi di area kecil tertentu dan di luar area ini; Gaya DEP berkurang secara tiba-tiba, seperti yang dapat dicerminkan oleh lebar area pengumpulan SWCNT yang ditunjukkan oleh panah berkepala dua pada Gambar 2. Di luar area ini, kerapatan penyelarasan SWCNT hampir nol. Mempertimbangkan distribusi gaya DEP pada Gambar. 3, kita dapat menemukan lebar area ini secara kualitatif mencerminkan nilai gaya DEP:semakin besar lebarnya, semakin besar gaya DEP.

Gaya DEP yang sesuai diberikan pada masing-masing SWCNT pada 20 dan 100 °C. panah dan quasi-hemicycles menunjukkan arah dan nilai kontur gaya DEP, masing-masing. Satuan panjang adalah m. Panjang panah gaya DEP sebanding dengan logaritma nilai gaya DEP. Kontur kuasi-hemicycle terluar dengan diameter sekitar 25 μm sesuai dengan gaya DEP ~10 ⁻¹⁶ N. Gaya DEP maksimum terletak di titik akhir elektroda

Pergerakan partikel di bawah pengaruh pemanasan adalah proses yang agak rumit, di mana banyak gaya, termasuk gaya gravitasi, gaya termoforetik, gaya drag kental, gaya termodifusif, gaya apung, gaya Brown dan sebagainya, harus dipertimbangkan. Sampai saat ini, masih belum ada konsensus yang dicapai pada beberapa kekuatan ini dan tidak mungkin untuk secara kuantitatif menetapkan bobot spesifik masing-masing. Untuk kesederhanaan dan keringkasan, kami menetapkan penjumlahan semua gaya ini tidak termasuk gaya DEP ke gaya konveksi sehingga kami dapat membedakan proses DEP dan proses konveksi selama pekerjaan simulasi. Selanjutnya, kami akan mendemonstrasikan proses DEP yang ditingkatkan oleh gaya konveksi (atau proses konveksi) dan memperoleh tingkat gaya konveksi dari distribusi gaya DEP dan distribusi deposisi atau penyelarasan SWCNT individual di sekitar alur DEP.Menurut simulasi Hasilnya, kesetimbangan termal larutan SWCNT dapat dicapai dengan cepat dalam 0,2 detik saat suhu meningkat dari 20 menjadi 100 °C. Dari distribusi kecepatan konveksi alami dalam larutan SWCNT yang dipanaskan pada 100 °C pada dua titik waktu yang berbeda dengan selang waktu 120 detik seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4, kita dapat melihat bahwa arah konveksi tidak menentu dan berubah dengan cepat, dan bahwa dimensi vortisitas konveksi berada pada tingkat kedalaman (100 μm) larutan SWCNT, yang menunjukkan bahwa konveksi dapat membawa SWCNT individual dalam dimensi 100 μm × 100 μm (2D) ke sekitar alur DEP. Selain itu, kami juga dapat menemukan pertukaran dan transfer SWCNT individual antara vortisitas konveksi tetangga, yang menunjukkan bahwa SWCNT individual yang lebih jauh dari 100 μm dari alur DEP juga dapat dibawa ke sekitar alur DEP. Ketika SWCNT individual yang jauh dari alur DEP melakukan perjalanan "panjang" dengan bantuan konveksi dan tiba di sekitar alur DEP, di mana gaya konveksi tidak dapat menaklukkan gaya DEP-positif yang kuat (arah gaya DEP menuju maksimum listrik medan), mereka ditangkap oleh gaya DEP, menghasilkan pengendapan dan penyelarasan SWCNT individual "jauh" ini di sekitar alur DEP, seperti yang ditunjukkan pada sampel B pada Gambar. 2. Selain itu, konveksi turbulen yang disebabkan oleh perbedaan densitas pada suhu yang berbeda [http://www.engineeringtoolbox.com/water-thermal-properties-d_162.html] juga dijamin dan sangat efisien meningkatkan proses transfer ini dengan kecepatan dalam milimeter per detik [https://thayer.dartmouth .edu/~d30345d/books/EFM/chap7.pdf]. Sebaliknya, tidak adanya vortisitas konveksi yang berubah dengan cepat dan konveksi turbulen pada 20 °C yang diungkapkan oleh pekerjaan simulasi menunjukkan kekurangan transfer SWCNT antara area yang berbeda, dan dengan demikian menghasilkan desity keselarasan yang rendah. Ini adalah penjelasan yang masuk akal untuk perbedaan kerapatan pelurusan antara sampel A dan B pada Gambar 2 dan dengan demikian untuk proses DEP yang ditingkatkan dengan pemanasan. Di sini, kami juga sangat mengklaim pengulangan proses DEP yang ditingkatkan dengan pemanasan ini.

Distribusi kecepatan konveksi alami dalam larutan SWCNT yang dipanaskan pada suhu 100 °C. panah merah tunjukkan posisi alur DEP. Pada dua titik waktu yang berbeda dengan selang waktu 120 detik, arah konveksi tidak menentu dan berubah dengan cepat, dan dimensi vortisitas konveksi berada pada tingkat kedalaman (100 m) larutan SWCNT, yang menunjukkan bahwa konveksi dapat membawa SWCNT individual dalam dimensi 100 μm × 100 μm (2D) ke sekitar alur DEP

Berdasarkan asumsi di atas bahwa lebar area pengumpulan SWCNT mencerminkan nilai gaya DEP dan bahwa jika gaya konveksi tidak dapat mengatasi gaya DEP di sekitar alur DEP, SWCNT individual akan ditangkap oleh gaya DEP, kita dapat mempertimbangkan bahwa gaya konveksi cocok dengan gaya DEP di dua batas area pengumpulan SWCNT (20~30 μm seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2), jadi ini adalah cara baru untuk menilai gaya konveksi. Dalam kasus pemanasan (100 °C), gaya DEP yang disimulasikan di sekitar dua batas ini berada pada level 10 ⁻¹⁶ N (Gbr. 3), dan dengan demikian gaya konveksi seharusnya tidak jauh dari nilai ini.

Kami juga mencatat bahwa gaya DEP pada 100 °C lebih lemah daripada pada 20 °C (Gbr. 3); namun, hampir tidak ada perubahan pada lebar area pengumpulan SWCNT (Gbr. 2). Kami menghubungkan alasan perbedaan gaya hambat kental air pada kedua suhu (http://www.engineeringtoolbox.com/absolute-dynamic-viscosity-water-d_575.html). Di antara semua elemen gaya konveksi yang disebutkan di atas, gaya tarik viskos memainkan peran paling penting dalam persaingan dengan gaya DEP, dan ini menunjukkan hubungan yang menurun dengan kenaikan suhu (http://www.engineeringtoolbox.com/absolute-dynamic-viscosity- air-d_575.html). Oleh karena itu, gaya tarik viskos yang lebih kecil dari air pada 100 °C membutuhkan gaya DEP yang lebih kecil, yang secara kebetulan memenuhi persyaratan.

Faktor lain yang bertanggung jawab untuk peningkatan kerapatan penyelarasan SWCNT individual mungkin adalah peningkatan bertahap konsentrasi SWCNT yang disebabkan oleh penguapan pelarut (air), tetapi menurut hasil penyelarasan SWCNT pada sampel A, faktor ini tampaknya tidak memainkan peran utama . Menurut analisis di atas, perbedaan signifikan yang unik antara sampel A dan B adalah apakah ada konveksi intens yang diinduksi pemanasan atau tidak, sehingga meyakinkan untuk menganggap alasan kerapatan penyelarasan SWCNT yang jauh lebih tinggi pada sampel B karena pemanasan- menginduksi proses konveksi yang intens, dan dengan demikian dapat dikatakan bahwa pemanasan dapat meningkatkan proses DEP.