Perakitan Mikro dan Nano Partikel Komposit dengan Adsorpsi Elektrostatik
Abstrak
Karya ini melaporkan teknik fabrikasi nanokomposit terkontrol baru yang berlaku untuk desain material melalui metode perakitan mikro dan nano. Prinsipnya didasarkan pada penggunaan adsorpsi elektrostatik dari partikel yang dimodifikasi muatan permukaan melalui perakitan lapis demi lapis. Polaritas dan potensial zeta muatan permukaan dikontrol menggunakan polikation dan polianion, sedangkan kekuatan potensial zeta dikontrol melalui jumlah lapisan pelapis yang ditentukan menggunakan pengukuran potensial zeta. Sebuah studi sistematis dilakukan untuk menunjukkan kelayakan perakitan material komposit melalui adsorpsi elektrostatik menggunakan alumina (Al2 O3 ) dan silika (SiO2 ) komposit sebagai model studi, yang dilakukan sebagai fungsi potensial zeta permukaan, persentase cakupan permukaan, dan waktu pemrosesan. Potensi yang cukup besar dari teknik ini untuk desain material komposit juga ditunjukkan lebih lanjut dengan perakitan terkontrol yang melibatkan material yang berbeda dalam berbagai bentuk struktural seperti serat, whisker, nanosheet, dan bahkan uretan terstruktur seperti busa berbentuk tidak beraturan. Material komposit yang dirancang menggunakan metode EA ini memiliki potensi yang baik untuk digunakan dalam berbagai aplikasi seperti kontrol sifat mekanik, pembentukan film keramik komposit, sintering laser selektif, dan baterai logam-udara yang dapat diisi ulang.
Pengantar
Dalam masyarakat yang berfokus pada skala nano saat ini, desain dan fabrikasi arsitektur nano tidak pernah lebih penting dan telah mengalami perkembangan pesat dalam beberapa tahun terakhir. Rakitan bottom-up seperti rakitan monolayer sendiri dan teknik perakitan lapis demi lapis (LbL) menggunakan adsorpsi elektronik telah menarik minat yang signifikan dari para peneliti [1,2,3]. Hal ini telah menyebabkan konsep baru yang dikenal sebagai nano-arsitektonik di mana integrasi polimer hibrida dan arsitektur nano anorganik digunakan untuk desain morfologi skala nano [4]. Sejak penemuan oleh Decher et al., sebagian besar pekerjaan yang dilaporkan melibatkan pembentukan satu atau beberapa lapisan film (pelapis) pada permukaan dan berfokus pada rekayasa molekuler permukaan [5, 6], polimer konjugasi, bio-komponen, graphene , dan fullerene [7]. Metode LbL telah membuka potensi signifikan untuk pengembangan bahan canggih yang memerlukan desain yang tepat seperti cangkang inti untuk penghantaran obat dan kristal fotonik serta molekul fungsional selektif [8, 9]. Namun, perakitan terkontrol mikro dan nanopartikel menggunakan teknik adsorpsi elektrostatik jarang dilaporkan [10]. Mo dkk. mendemonstrasikan perakitan perakitan hemisfer berongga berbasis nanorod ZnO menggunakan termolisis hidrotermal prekursor Zn dengan adanya polimer rantai panjang 2 g dengan gugus samping besar, poli(natrium 4-stirenasulfonat) (PSS) [11]. Mereka menyebutkan bahwa keberadaan rantai panjang yang larut dalam air dengan kelompok samping yang besar sangat penting untuk pembentukan struktur rakitan unik yang terdiri dari belahan berongga. Rantai panjang dikatakan mempromosikan pengelompokan partikel koloid sekunder yang akan mengarah pada kristalisasi dan pembubaran terbatas ruang berikutnya. Menggunakan konsep yang sama, juga menunjukkan kemungkinan untuk membuat cangkang polimer tiga dimensi menggunakan inti yang terdiri dari templat koloid terlarut oleh Decher [12, 13] dan Caruso et al. [14]. Karya-karya mereka telah meletakkan dasar menuju desain material yang lebih banyak menggunakan metode EA. Dilaporkan juga bahwa ukuran dan kepadatan struktur nano material yang diterapkan selama bio-engineering dapat secara khusus menginduksi sifat biologis yang diinginkan [15, 16]. Visalakshan dkk. telah melaporkan formasi terkontrol yang serbaguna dan terukur dari partikel Au yang terikat secara kovalen pada interlayer polymethlyoxazoline yang diendapkan plasma dengan topografi nano yang terdefinisi dengan baik yang dapat diterapkan pada teknologi terkait rekayasa biomaterial [15]. Dalam karya lain yang dilaporkan oleh Li et al., mereka telah menunjukkan kelayakan untuk mendapatkan mikrosfer bifungsional yang terdiri dari Fe2 O3 (inti) dan SiO2 (cangkang) dengan nanopartikel Au teradsorpsi pada permukaan melalui interaksi dengan polietilenimin melalui metode LbL. Komposit hibrid bifungsional menunjukkan kinerja katalitik yang sangat baik dalam reduksi organik dan anorganik sementara memiliki sifat superparamagnetik yang memungkinkan pemisahan yang efisien menggunakan medan magnet [17]. Karya-karya tersebut di atas telah lebih menekankan pentingnya mikro dan nano-perakitan menuju generasi sifat yang diinginkan untuk berbagai aplikasi fungsional tingkat lanjut. Melihat ke depan menuju fabrikasi skala besar, Hueckel dan Sacanna melaporkan metode reaksi campur dan leleh yang memungkinkan produksi massal koloid inti-kulit anisotropik menggunakan perakitan mandiri elektrostatik [18]. Dalam metode LbL, terlepas dari kemungkinan penerapan partikel/koloid yang tidak bermuatan, yang bermuatan masih tetap menjadi metode yang umum digunakan melalui perakitan polielektrolit multilayer [19]. Selain pemanfaatan polielektrolit, potensial zeta juga dapat dikontrol dengan penyesuaian pH tergantung pada bahan yang digunakan dalam pembentukan komposit [20, 21]. Penerapan sekuensial polielektrolit bermuatan berlawanan dapat meningkatkan kekuatan muatan permukaan serta stabilitas lapisan polielektrolit yang dapat ditentukan dengan menggunakan pengukuran potensial zeta [13, 22]. Ketika potensial zeta partikel modifikasi muatan permukaan setara atau lebih dari +/− 40 mV, dilaporkan cukup untuk mendapatkan interaksi elektrostatik stabil yang baik untuk menghindari aglomerasi dan tetap dalam bentuk koloid [21, 23]. Terlepas dari kemajuan dan pengembangan metode LbL, pemanfaatannya untuk desain material dan komposit jarang dilaporkan meskipun potensinya sangat besar. Oleh karena itu, dalam karya ini, kami tidak hanya mendemonstrasikan metode yang lebih mudah dan lebih unggul untuk mendapatkan campuran material yang homogen menggunakan metode EA tetapi juga telah mewujudkan kelayakan desain material komposit yang melintasi batas antara material dan bentuk. Potensi metode EA dikembangkan lebih lanjut dengan menunjukkan kelayakan metode ini untuk dekorasi aditif yang diinginkan ke bahan berstruktur tidak teratur seperti busa uretana, boron nitrida seperti lembaran (BN), dan bahan terstruktur seperti batang. Adapun metode pencampuran konvensional seperti penggilingan mekanis, sering terjadi di mana struktur prekursor mengalami degenerasi atau perubahan karena dampak volatil dan pembangkitan panas. Selain itu juga terjadi aglomerasi campuran yang selanjutnya akan mempengaruhi sifat akhir dari bahan komposit [21, 24, 25]. Untuk mengatasi masalah ini, metode untuk desain material skala nano yang tepat sangat diperlukan untuk mendorong ke arah manufaktur presisi tingkat lanjut. Gambar 1 adalah skema yang menunjukkan perbandingan struktur mikro yang dapat diperoleh melalui metode penggilingan mekanis konvensional dengan terjadinya agregasi dibandingkan dengan dekorasi homogen baru dari bahan komposit melalui metode EA. Struktur mikro yang terdistribusi dengan baik dapat diperoleh dengan menggunakan bahan komposit yang didekorasi secara homogen untuk menghasilkan sifat yang diinginkan dari bahan komposit fungsional. Dalam sebuah karya yang dilaporkan baru-baru ini, dekorasi homogen nanopartikel indium tin oxide (ITO) pada permukaan poli (metil metakrilat) (PMMA) ditunjukkan menggunakan metode EA. Serbuk komposit ITO-PMMA yang diperoleh kemudian digunakan untuk membuat pelet dengan transparansi yang baik di wilayah cahaya tampak dan efek perisai cahaya IR yang dapat dikontrol [21]. Oleh karena itu, gambaran yang jelas tentang metode EA untuk perakitan mikro dan nano sangat penting untuk menekankan kelayakan dan potensi teknik ini untuk desain material. Prinsip dasar untuk karya baru ini diilustrasikan pada Gambar. 2 di mana kontrol muatan permukaan dilakukan menggunakan polielektrolit (polikasi dan polianion) untuk memungkinkan dekorasi yang homogen dari partikel aditif yang diinginkan pada partikel primer/induk. Dengan memanfaatkan gaya tarik, nanokomposit dengan homogenitas yang signifikan dapat dicapai terlepas dari kompleksitas struktural. Pelestarian struktur nano primer dan sekunder seperti nanofibers dan nanorods dapat dicapai dibandingkan dengan metode penggilingan mekanis konvensional yang akan menghancurkan struktur morfologi aslinya. Dalam hal biaya fabrikasi, metode EA juga merupakan metode yang lebih hemat biaya. Freymann dkk. juga menekankan bahwa metode EA adalah metode perakitan bottom-up yang sangat baik untuk fabrikasi kristal fotonik dibandingkan dengan pendekatan top-down yang sangat mahal [8]. Kelayakan yang ditunjukkan dari desain komposit arsitektur nano yang ditunjukkan dalam karya baru ini dapat menjadi platform yang berguna untuk berbagai aplikasi karena daya saing biaya dan kesederhanaannya. Pembentukan suhu kamar dan homogenitas superior dari metode ini memiliki keuntungan signifikan untuk teknologi fabrikasi berbasis bubuk yang presisi seperti deposisi aerosol [25], teknologi pencetakan 3D keramik, dan sintering laser manufaktur aditif [26, 27]. Penerapan metode EA ini terhadap aplikasi praktis yang berguna juga ditunjukkan dalam penelitian kami yang baru-baru ini dilaporkan untuk perisai cahaya IR [21], kontrol properti mekanik komposit alumina berbasis karbon [24], dan baterai Fe-air yang dapat diisi ulang [20].
Perbandingan struktur mikro yang diperoleh dengan menggunakan a metode penggilingan mekanis konvensional dan b teknik adsorpsi elektrostatik baru untuk fabrikasi material komposit
Skema penyesuaian muatan elektrostatik permukaan menggunakan polikation dan polianion untuk partikel komposit formasi
Prosedur Eksperimental
Formasi Al2 O3 -SiO2 Partikel Komposit
Eksperimen dilakukan menggunakan SiO2 berbentuk bola monodispersi yang tersedia secara komersial2 partikel (diameter partikel rata-rata 8,8 μm, Ube EXSYMO) dan alumina (Al2 O3 ) partikel (ukuran partikel rata-rata 100 nm, Taimei Chemical Co., Ltd.). Polikation dan polianion yang digunakan masing-masing adalah polydiallyldimethylammonium chloride (PDDA) (berat molekul rata-rata 100.000 hingga 200.000, Sigma-Aldrich) dan polysodium styrenesulfonate (PSS) (berat molekul rata-rata 70.000, Sigma-Aldrich). SiO primer2 partikel direndam ke dalam polielektrolit dalam urutan PDDA, PSS, PDDA, dan PSS untuk menginduksi muatan permukaan negatif. Adapun Al2 O3 partikel, muatan permukaan disiapkan dengan perendaman dalam PSS dan PDDA untuk mendapatkan muatan permukaan positif. Potensi zeta permukaan dikendalikan oleh pelapisan multi-lapisan berulang dengan proses LbL [12, 13, 28]. Terakhir, penangguhan SiO2 dan Al2 O3 partikel dengan potensi zeta yang berlawanan dicampur bersama-sama. PH larutan yang disiapkan berada di sekitar 7-8 (netral). Ketika PDDA atau PSS ditambahkan ke dalam larutan berair, pH larutan berubah menjadi sekitar 5,5 dan 6,8, masing-masing. Setelah penambahan PDDA dan PSS, larutan kemudian dicuci dan dibilas beberapa kali (hingga empat kali) untuk menghilangkan kelebihan PDDA dan PSS dari larutan. Setelah dicuci dan dibilas, pH kembali ke pH semula sekitar 7-8. Meskipun suspensi yang diperoleh stabil selama beberapa hari, mereka digunakan untuk perakitan elektrostatik beberapa jam setelah persiapan. Partikel bermuatan elektrostatik yang lebih kecil (sekunder) tertarik ke arah dan melekat pada partikel yang lebih besar (primer) membentuk partikel nano/mikro-komposit. Skema keseluruhan proses fabrikasi Al2 O3 -SiO2 partikel komposit ditunjukkan pada Gambar. 3. Al2 O3 dan SiO2 partikel komposit dicampur dan diaduk hingga 180 min untuk memungkinkan adsorpsi lengkap. Dalam penyelidikan kontrol cakupan, jumlah adsorpsi partikel disesuaikan dengan mengubah rasio pencampuran prekursor menggunakan rumus di bawah ini:
Skema dari Al2 O3 -SiO2 pembentukan partikel komposit setelah proses pelapisan lapis demi lapis PDDA dan PSS
Aa adalah jumlah partikel yang ditambahkan (g), C adalah rasio cakupan partikel sekunder pada partikel primer (C = Sa /Sm; Sa adalah luas penampang [m
2
] dari partikel aditif sementara Sm adalah luas permukaan partikel primer [m
2
]), Va adalah volume satu partikel aditif [m
3
], ρa adalah densitas partikel aditif [g/m
3
], Am adalah jumlah partikel primer [g], ρm adalah kerapatan partikel primer [g/m
3
], dan Vm adalah volume satu partikel primer [m
3
]. Dalam penelitian ini, jumlah partikel aditif disesuaikan menjadi 25, 50, dan 75% cakupan permukaan dari jumlah SiO primer yang konstan2 partikel. Estimasi cakupan Al2 O3 -SiO2 komposit yang diperoleh juga dihitung dari citra SEM dan ditabulasi pada Tabel 1. Dalam studi yang berbeda tentang pengaruh waktu deposisi selama proses reaksi, durasi Al2 O3 dan SiO2 pembentukan partikel komposit diselidiki pada interval 5, 15, dan 60 min dengan cakupan konstan 25%.
Pembentukan SiO2 -SiO2 Partikel Komposit dengan Kontrol Ukuran
Dalam penelitian ini, untuk menunjukkan kelayakan merancang komposit yang terdiri dari bahan yang sama tetapi dengan ukuran yang berbeda, SiO2 dengan ukuran partikel 1, 4, dan 16 μm (Ube EXYMO) digunakan. Sedangkan untuk SiO 16-m primer2 partikel, lapisan LbL PDDA/PSS/PDDA/PSS dilakukan sedangkan untuk sekunder yang lebih kecil 1- dan 4-μm SiO2 partikel, pelapisan LbL PDDA/PSS/PDDA dilakukan. Suspensi kemudian dicampur dan diaduk.
Pembentukan Berbagai Kombinasi Komposit Menggunakan Metode EA
Untuk lebih menunjukkan kelayakan dan fleksibilitas metode baru ini dalam desain komposit yang melibatkan berbagai bahan dan bentuk, bahan seperti Al2 O3 , polimetil metakrilat (PMMA), karbon nanotube (CNT), boron nitrida (BN), serat karbon, dan silikon karbida (SiC) dalam bentuk struktur serat, kumis, nanosheet, dan struktur seperti busa tidak beraturan digunakan untuk membentuk komposit melalui metode EA. Tergantung pada bahannya, modifikasi muatan permukaan berbeda. Untuk Al2 O3 dan SiO2 yang memiliki muatan permukaan positif dan negatif, masing-masing, PSS dan PDDA digunakan untuk menginduksi muatan yang berlawanan sampai potensial zeta lebih tinggi dari +/− 40 mV sebelum perakitan elektrostatik. Untuk bahan yang menunjukkan potensi zeta rendah atau dapat diabaikan seperti PMMA, mikrosfer karbon, CNT, BN, serat karbon, SiC, dan urethane, lapisan awal surfaktan, sodium deoxycholate (SDC), digunakan untuk melapisi dan menginduksi muatan permukaan negatif. di permukaan diikuti oleh PDDA. Beberapa lapisan PDDA dan PSS yang berselang-seling disesuaikan hingga potensial zeta lebih tinggi dari +/− 40 mV sebelum pencampuran untuk memungkinkan perakitan elektrostatik. Misalnya untuk mendapatkan komposit yang terdiri dari karbon-mikrosfer-Al2 O3 , permukaan partikel primer Al2 O3 muatan permukaan dimodifikasi menggunakan PSS untuk menginduksi muatan permukaan negatif. Sedangkan untuk mikrosfer karbon sekunder, pelapisan awal SDC dilakukan dan diikuti oleh PDDA untuk menghasilkan potensial permukaan zeta positif. Jika potensial zeta kurang dari + 40 mV, pelapisan PSS/PDDA secara bergantian dilakukan untuk mendapatkan potensial permukaan yang lebih tinggi dan lebih stabil untuk perakitan elektrostatik. Kemudian, Al2 . yang dimodifikasi bermuatan permukaan O3 dan larutan berair karbon mikrosfer dicampur dan diaduk untuk mendorong proses adsorpsi elektrostatik. Pendekatan serupa diterapkan pada PMMA, CNT, BN, serat karbon, SiC, dan urethane sebelum proses perakitan elektrostatik.
Metode, Pengamatan Morfologi, dan Pengukuran
Homogenizer ultrasonik (QSonica, LLC., Q 700) digunakan untuk membubarkan partikel yang diaglomerasi dalam larutan. Pengering beku (FDU-1200, Tokyo Science Instrument Co., Ltd.) digunakan untuk mengeringkan suspensi partikel komposit yang diperoleh. Morfologi yang diperoleh setelah EA diamati menggunakan S-4800 Field Emission Scanning Electron Microscope (FE-SEM, Hitachi S-4800). Potensi zeta diukur menggunakan alat ukur dari Otsuka Electronics Co. Ltd., ELSZ-1 dan Micro Tech Nission, ZEECOM Co. Ltd.
Hasil dan Diskusi
Gambar 4 menunjukkan gambar SEM dari Al2 . yang diperoleh O3 -SiO2 partikel komposit dengan cakupan yang berbeda masing-masing 25, 50, dan 75%. Dapat diamati dengan jelas bahwa Al2 O3 nanopartikel terdistribusi secara homogen di seluruh permukaan SiO2 partikel. Dari gambar SEM, jumlah Al2 O3 partikel teradsorpsi ke permukaan SiO2 partikel dihitung dan diringkas dalam Tabel 1. Dari hasil yang diperoleh, nilai perkiraan cakupan yang diukur adalah perkiraan untuk cakupan target yang dimaksudkan sebesar 25, 50, dan 75%. Hasil ini menunjukkan bahwa dengan menggunakan metode EA baru ini, cakupan dapat dikontrol dengan menyesuaikan jumlah partikel aditif sambil mempertahankan cakupan homogen yang sangat baik di mana Al2 sekunder O3 partikel terdistribusi merata pada permukaan SiO primer2 partikel tanpa tanda-tanda aglomerasi atau tambalan terkonsentrasi. Dalam studi terpisah tentang waktu reaksi selama pencampuran dan pengadukan, gambar SEM dari partikel komposit (cakupan 25%) yang diperoleh setelah 5, 15, dan 60 min ditunjukkan pada Gambar. 5. Jumlah partikel aditif yang diendapkan pada primer SiO2 partikel diamati meningkat dengan waktu. Perlu dicatat bahwa bahkan pada waktu pencampuran dan pengadukan yang singkat yaitu 5 min, partikel aditif terlihat terdistribusi secara merata pada permukaan SiO2 partikel (tidak diaglomerasi). Dengan waktu pencampuran dan pengadukan yang lama yaitu 15 dan 60 min, jumlah endapan Al2 O3 meningkat sesuai. Setelah 60 min, jumlah Al2 O3 partikel yang diperoleh pada SiO2 serupa dengan yang diperoleh dalam cakupan distribusi 25% di atas. Hal ini menunjukkan bahwa pengendapan partikel metode EA bergantung pada waktu reaksi (pencampuran dan pengadukan). Perilaku ketergantungan waktu keseluruhan Al2 O3 adsorpsi pada SiO2 untuk rasio cakupan yang berbeda serta potensi zeta yang diukur dirangkum dalam Gambar. 6. Dari Gambar. 6a, untuk mendapatkan cakupan 25%, waktu yang dibutuhkan untuk mencapai dataran tinggi deposisi adalah 60 menit sedangkan yang dengan cakupan permukaan yang lebih tinggi diperlukan waktu yang lama hingga 180 min. Keterlambatan pengendapan disebabkan oleh peningkatan Al2 O3 suspensi partikel yang menyebabkan peningkatan Al2 O3 adsorpsi pada SiO2 yang kemudian mengakibatkan terjadinya efek hambatan sterik [5, 29]. Dari Gambar 6b, terlihat bahwa potensial zeta semu dari Al2 O3 -SiO2 komposit secara bertahap bergeser dari negatif ke positif dengan meningkatnya aditif Al2 O3 cakupan partikel. Sebagai jumlah muatan positif Al2 O3 partikel teradsorpsi ke SiO2 meningkat, potensi zeta positif dari permukaan juga meningkat yang menghasilkan efek pelindung yang mencegah Al2 berikutnya O3 untuk diadsorpsi ke SiO2 dan menyebabkan penundaan pengendapan. Distribusi homogen dari muatan positif Al2 O3 partikel di permukaan SiO2 pada jarak yang hampir sama antara setiap Al2 O3 partikel menghasilkan generasi efek sterik yang dianggap setara dengan SiO bermuatan negatif2 partikel. Oleh karena itu, ini menghasilkan pencapaian titik iso-listrik. Dalam pekerjaan yang dilaporkan oleh Xu et al., mereka telah melaporkan pengamatan yang hampir serupa di mana, dengan mengontrol kerapatan muatan polielektrolit, kekasaran film membran dan variasi jarak dari substrat serta pentingnya pembatasan sterik terhadap ion terhadap ion. jarak dalam pasangan polielektrolit ditunjukkan [30].
Gambar SEM dari Al2 O3 -SiO2 partikel komposit dengan cakupan a . yang berbeda 25, b 50, dan c 75%, masing-masing
Gambar SEM dari Al2 O3 -SiO2 partikel komposit yang dicampur dan diaduk selama a 5, b 15, dan c 60 min, masing-masing, dengan jumlah partikel aditif tetap cakupan 25%
a Perilaku ketergantungan waktu Al2 O3 adsorpsi pada SiO2 partikel untuk berbagai rasio cakupan suspensi. b Potensi zeta Al2 O3 -SiO2 partikel komposit yang diperoleh menggunakan persentase cakupan yang bervariasi. Tiga sampel independen disiapkan dan rata-rata lima pengukuran dilakukan untuk mendapatkan simpangan baku
Dalam demonstrasi pembentukan partikel komposit yang terdiri dari bahan yang sama tetapi dengan ukuran yang berbeda, penting juga untuk menyesuaikan potensial zeta permukaan dengan menyesuaikan jumlah pelapis polielektrolit bergantian. File tambahan 1:Gambar S1 menunjukkan peningkatan bertahap potensi zeta dengan jumlah pelapis PDDA dan PSS yang bergantian. Potensi zeta meningkat satu kali lipat dari sekitar 30 menjadi 60 mV setelah empat lapis pelapisan. Gambar SEM dari SiO2 partikel komposit ditunjukkan pada Gambar. 7, yang menunjukkan distribusi yang sangat baik dari SiO sub-mikro2 partikel pada 16-μm SiO2 partikel. Pada Gambar. 7a, SiO berukuran kecil2 partikel sekitar 1 μm terlihat terdistribusi secara homogen di seluruh permukaan 16 μm SiO2 partikel sementara pada Gambar. 7b, SiO lebih besar2 mikropartikel sekitar 4 μm terlihat terdistribusi dengan baik dengan cara yang sama. Hal ini menunjukkan bahwa dengan menyesuaikan kekuatan muatan permukaan, partikel aditif yang lebih besar juga dapat digunakan untuk fabrikasi material komposit melalui metode EA. Untuk lebih menunjukkan kelayakan dan penerapan metode baru ini, berbagai bahan seperti Al2 O3 , PMMA, CNT, BN, serat karbon, SiC, dan urethane yang melibatkan berbagai bentuk seperti serat serta whisker dan busa berstruktur tidak beraturan digunakan untuk pembentukan komposit. Morfologi komposit yang diperoleh ditunjukkan pada Gambar. 8 menunjukkan dekorasi homogen partikel aditif yang diinginkan ke berbagai partikel primer dan kerangka melalui metode EA. Pada Gambar. 8a–c, dekorasi berbagai struktur seperti mikrosfer karbon, rasio aspek tinggi CNT, dan nanosheet BN pada bahan berbeda yang terdiri dari Al2 O3 , PMMA, dan SiO2 mikrosfer ditampilkan masing-masing. Di sisi lain, dekorasi homogen SiO2 dan Al2 O3 nanopartikel pada struktur non-bola dan tidak beraturan ditunjukkan pada serat karbon, kumis SiC, dan busa uretana, seperti yang ditunjukkan masing-masing pada Gambar 8d-f. Oleh karena itu, karya unik ini telah menunjukkan teknik baru perakitan mikro dan nano terkontrol yang memiliki potensi besar untuk desain material yang mencakup berbagai material serta dimensi morfologi yang dapat memberikan dampak berpengaruh terhadap pengembangan dan desain material komposit untuk pembuatan presisi. teknologi. Keterbatasan metode EA adalah prasyarat persiapan berair bahan yang memiliki densitas lebih tinggi dari air (1 g/cm
3
), kesulitan dalam produksi skala besar, dan kebutuhan pembersihan berkali-kali untuk menghilangkan kelebihan polielektrolit dari larutan. Namun, dari proyek ini, sistem modifikasi muatan permukaan prekursor skala besar yang canggih telah dikembangkan untuk produksi perakitan nano material canggih yang ditingkatkan menggunakan peralatan yang disesuaikan dengan pemantauan waktu nyata. Peralatan ini memungkinkan kontrol dan perubahan potensial zeta muatan permukaan (positif/negatif) dari larutan berair volume besar (sekitar 10 l) yang mengandung bahan prekursor awal yang ditentukan. Setelah mencapai potensi zeta yang diinginkan, bahan awal yang dimodifikasi bermuatan permukaan dicampur untuk mempromosikan adsorpsi elektrostatik berikutnya untuk menghasilkan bahan komposit yang diinginkan.
Gambar SEM dari SiO2 partikel komposit yang terdiri dari a 1-μm SiO2 partikel dan b 4-μm SiO2 partikel yang didekorasi pada 16-μm SiO2 partikel dengan metode EA yang menunjukkan distribusi homogen
Gambar SEM dari komposit rakitan nano dan mikro yang diperoleh dengan metode EA. a mikrosfer karbon-Al2 O3 , b CNT-PMMA, c BN-SiO2 , d SiO2 -serat karbon, e Al2 O3 kumis -SiC, dan f Al2 O3 -busa uretana
Menggunakan metode EA yang dilaporkan dalam pekerjaan ini, berbagai bahan komposit telah dibuat dan dilaporkan oleh kelompok kami untuk aplikasi seperti sifat mekanik terkontrol dari komposit karbon berbasis alumina [24], pembentukan suhu kamar yang cepat dari film keramik komposit dengan deposisi aerosol [25] ], properti pelindung cahaya IR terkontrol dari komposit polimer PMMA-ITO [21], dan baterai Fe-air yang dapat diisi ulang [20]. Dalam karya terbaru yang melibatkan fabrikasi komposit matriks polimer PMMA dengan nanopartikel ITO, pelet komposit PMMA-ITO yang menunjukkan transparansi yang baik di wilayah cahaya tampak sementara memungkinkan kontrol efek perisai cahaya IR dengan mengontrol jumlah penggabungan nanopartikel ITO telah telah dilaporkan [21]. Oleh karena itu, selain bahan anorganik, hal ini menunjukkan bahwa metode perakitan elektrostatik dapat diterapkan untuk bahan polimer juga.
Kesimpulan
Kelayakan untuk mengontrol cakupan partikel aditif pada partikel primer dalam fabrikasi komposit ditunjukkan dalam karya baru ini. Pekerjaan eksperimental mendasar dilakukan dengan dekorasi Al2 O3 nanopartikel pada SiO2 mikropartikel sebagai fungsi dari cakupan permukaan dan waktu reaksi. Dekorasi kontrol dengan cakupan permukaan 25, 50, dan 75% juga ditunjukkan dengan menyesuaikan jumlah aditif dan waktu EA. Menuju kemajuan desain material skala nano, kami juga telah menunjukkan kelayakan untuk mencapai perakitan mikro dan nano komposit partikel pada berbagai material dengan berbagai struktur morfologis pada suhu kamar menggunakan metode EA. Homogenitas superior dengan cakupan permukaan yang dapat dikontrol juga ditunjukkan dalam karya baru ini. Aplikasi yang mungkin dari material komposit fabrikasi yang menggunakan metode EA adalah sintering laser selektif, deposisi aerosol film keramik komposit, material pelindung IR, dan baterai logam-udara yang dapat diisi ulang. Temuan sistematis dari pekerjaan ini dapat meletakkan platform untuk desain material berskala nano menuju fabrikasi nano yang lebih canggih di masa mendatang.
Ketersediaan Data dan Materi
Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama penelitian ini disertakan dalam artikel yang diterbitkan ini [dan file informasi tambahannya].
