Nanotechnology mostly employs nano-materials and nano-structures with distinctive properties based on their size, structure, and composition. It is quite difficult to produce nano-materials and nano-structures with identical sizes, structures, and compositions in large quantities, because of spatiotemporal fluctuation of production processes. In other words, fluctuation is the bottleneck in nanotechnology. We propose three strategies to suppress such fluctuations: employing 1) difference between linear and nonlinear phenomena, 2) difference in time constants, and 3) nucleation as a bottleneck phenomenon. We are also developing nano- and micro-scale guided assembly using plasmas as a plasma nanofabrication.1-5) We manipulate nano- and micro-objects using electrostatic, electromagnetic, ion drag, neutral drag, and optical forces. The accuracy of positioning the objects depends on fluctuation of position and energy of an object in plasmas. Here we evaluate such fluctuations and discuss the mechanism behind them. We conducted in-situ evaluation of local plasma potential fluctuation using tracking analysis of fine particles (=objects) in plasmas. Experiments were carried out with a radio frequency low-pressure plasma reactor, where we set two quartz windows at the top and bottom of the reactor. Ar plasmas were generated at 200 Pa by applying 13.56MHz, 450V peak-to-peak voltage. The injected fine particles were monodisperse methyl methacrylate-polymer spheres of $10{\mu}m$ in diameter. Fine particles were injected into the reactor and were suspended around the plasma/sheath boundary near the powered electrode. We observed binary collision of fine particles with a high-speed camera. The frame rate was 1000-10000 fps. Time evolution of their distance from the center of mass was measured by tracking analysis of the two particles. Kinetic energy during the collision was obtained from the result. Potential energy formed between the two particles was deduced by assuming the potential energy plus the kinetic energy is constant. The interaction potential is fluctuated during the collision. Maximum amplitude of the fluctuation is 25eV, and the average is 8eV. The fluctuation can be caused by neutral molecule collisions, ion collisions, and fluctuation of electrostatic force. Among theses possible causes, fluctuation of electrostatic force may be main one, because the fine particle has a large negative charge of -17000e and the corresponding electrostatic force is large compared to other forces.
세공 크기가 2.6 ${\mu}m$인 SPG (Shirasu porous glass) 막이 설치된 실험실 규모의 막유화 장치를 사용하여 막유화 에멀젼-겔 공정의 변수 조절을 통해 구형상의 실리카 입자를 제조하였다. 막유화 에멀젼-겔 공정의 변수로는 분산상 압력, 연속상 내 안정제 및 유화제의 농도, $H_2O$/TEOS 비율 및 연속상에 대한 분산상의 비율로 설정하고, 이들 변수가 제조된 실리카 입자의 크기와 분포에 미치는 영향을 검토하였다. 막유화의 공정변수들 중에서 분산상 압력과 연속상에 대한 분산상의 비가 증가할수록 실리카 입자의 크기가 증가하였다. 반면 안정제 및 유화제의 농도, $H_2O$/TEOS 비가 증가할수록 입자의 크기가 감소하였다. 막유화 에멀젼-겔 공정변수의 조절을 통해 최종적으로 평균 입자 크기가 3 ${\mu}m$인 비교적 입도분포가 균일한 구형상의 실리카 입자 제조가 가능하였다.
An electret filter is composed of permanently charged electret fibers and is widely used in applications requiring high collection efficiency and low-pressure drop. In this work, the fractional collection efficiency of the filter media used in manufacturing cabin air filters was investigated by using highly monodisperse particles ranging from 0.02 to 0.6 $\mu\textrm{m}$ in diameter at three different charging states: singly charged, uncharged, and equilibrium charged. The face velocity was varied from 2.4 to 20.4 crus. It was fecund that the fractional efficiency curve fur singly charged particles shows a typical trend that the collection efficiency is minimum at about 0.3 $\mu\textrm{m}$ in diameter. The fractional efficiency of equilibrium charged particles were not severely varied with the particle diameter. The collection efficiency curve fur uncharged particles has a minimum near 0.1 $\mu\textrm{m}$ in diameter. Another experiment was conducted for a cartridge filter to examine the effect of charge depletion on the collection efficiency in a cabin air filter. The result shows that the charge depletion of the cartridge filter can significantly lower the collection efficiency.
본 연구에서는 UV photo-lithography 방식의 particle replication in non-wetting templates(PRINT) 법을 이용하여 약물 전달에 운반체로 사용되는 $3{\mu}m{\times}3{\mu}m{\times}2{\mu}m$ 사이즈의 균일한 고분자 하이드로젤 입자를 제조하였다. 몰드(mold)와 기재(substrate)는 PRINT 방식을 통하여 탄성을 지닌 perfluoropolyethers(PFPE)로 제작하였으며 이를 반복적으로 사용할 수 있도록 하였다. 제작된 입자는 점착성이 있는 수용성 고분자를 이용하여 회수하였다. 입자의 주요 성분은 생분해성 고분자인 poly(ethylene glycol) diacrylate(PEG-diA)이며, 세포 uptake에 적합하도록 aminoethylacrylate(AEM)와 2-acryloxyethyltrimethyl ammonium chloride(AETMAC)를 첨가하였다. 본 연구를 통해 균일하고 원하는 크기의 생체분해성 고분자 입자를 제작하는 PRINT 기술이 약물 전달 및 유전자 전달에 필요한 수송체인 비바이럴 벡터를 제작하기 위한 효과적인 기술임을 제시하였다.
본 연구에서는 실리카 코팅을 통하여 높은 내약품성을 갖는 황연입자를 제조하였다. 합성 과정에 수중 분산도 향상을 위한 중간체 제조의 최적화와 제조된 실리카로 코팅된 황연입자의 내약품성을 조사하였다. 합성과정에서 입자 생성에 가장 영향이 높은 변수인 pH와 반응온도에 따른 입자경의 변화를 관찰하였으며, homogenizer 이용하여 변화된 입자경에 따른 실리카 코팅에의 영향, 코팅 후 온도 및 pH의 변화에 따른 입자형상의 변화를 관찰하였다. 실험 결과로, 황연안료의 합성공정에서 생성용액의 pH가 낮을수록 합성 및 숙성온도가 높을수록 작고 균일한 입자를 얻을 수 있었다. 황연입자의 코팅 전 입자경이 작을수록 실리카 코팅이 우수하였다. 또한 충분한 마이크로캡슐화에 의한 실리카 코팅은 pH 9~10 및 반응온도 $90^{\circ}C$ 이상에서 얻을 수 있었다.
Highly monodisperse polystyrene (PS) nanospheres were fabricated by surfactant-free emulsion polymerization in water using styrene, 2,2'-azobis(2-methyl propionamidine) dihydrochloride (AIBA), and poly(vinyl pyrrolidone) (PVP). The size and distribution of the PS nanospheres were systematically investigated in terms of initiator concentration, stabilizer concentration, reaction temperature, reaction time, and reactant concentration. With increasing AIBA initiator concentration, PS particle sizes are raised proportionally, and can be controlled from 120 to 380 nm. Particle sizes were reduced with increasing PVP concentration. This decrease occurs because a high PVP concentration leads to a large number of primary nuclei in the early stage of polymerization. When the reaction temperature increased, the sizes of the PS particles decrease slightly. The particles grew quickly during the initial reaction stage (1-3 h) and the growth rate became steady-state after 6 h. The PS sizes approximately doubled when the reactant (styrene, PVP, azo-initiator) concentrations were increased by a factor of eight.
Two different schemes were adopted to fabricate ordered macroporous structures with face centered cubic lattice of air spheres. Monodisperse polymeric latex suspension, which was synthesized by emulsifier-free emulsion polymerization, was mixed with metal oxide ceramic nanoparticles, followed by evaporation-induced self-assembly of the mixed hetero-colloidal particles. After calcination, inverse opal was generated during burning out the organic nanospheres. Inverse opals made of silica or iron oxide were fabricated according to this procedure. Other approach, which utilizes ceramic precursors instead of nanoparticles was adopted successfully to prepare ordered macroporous structure of titania with skeleton structures as well as lithium niobate inverted structures. Similarly, two different schemes were utilized to obtain disordered macroporous structures with random arrays of macropores. Disordered macroporous structure made of indium tin oxide (ITO) was obtained by fabricating colloidal glass of polystyrene microspheres with low monodispersity and subsequent infiltration of the ITO nanoparticles followed by heat treatment at high temperature for burning out the organic microspheres. Similar random structure of titania was also fabricated by mixing polystyrene building block particles with titania nanoparticles having large particle size followed by the calcinations of the samples.
A cascade impactor is a multistage impaction device used to separate airborne particles into aerodynamic size classes. A micro-orifice impactor uses micro-orifice nozzles to extend the cut sizes of the lower stages to as small as 0.05 ${\mu}{\textrm}{m}$ in diameter without resorting to low pressures or creating excessive pressure drops across the impactor stages. In this work, the phenomenon of particle clogging in micro-orifice nozzles was experimentally investigated for a commercial micro-orifice uniform deposit impactor (MOUDI). It was observed, using an optical microscope, that the micro-orifice nozzles of the final stages were partially clogged due to particle deposition during the aerosol sampling. Therefore the pressure drops across the nozzles were higher than the nominal values given by the manufacturer. To examine the effect of particle clogging in micro-orifice nozzles, the particle collection efficiency of the MOUDI was evaluated using an electrical method for fine particles with diameters in the range of 0.1-0.6 ${\mu}{\textrm}{m}$. The monodisperse liquid dioctyl sebacate (DOS) particles were used as test aerosols. A faraday cage was employed to measure the low-level current of the charged particles upstream and downstream of each stage. It was found that the collection efficiency curves shifted to correspond to smaller orifice sizes, and the 50-% cutoff sizes were much smaller than those given by the manufacturer for the three stages with nozzles less than 400 ${\mu}{\textrm}{m}$ in diameter.
Quantum dots (QDs) are capable of controlling the typical emission and absorption wavelengths because of the bandgap widening effect of nanometer-sized particles. These phosphor particles have been used in optical devices, photovoltaic devices, advanced display devices, and several biomedical complexes. In this study, we synthesize ZnSe QDs with controlled surface defects by a heating-up method. The optical properties of the synthesized particles are analyzed using UV-visible and photoluminescence (PL) measurements. Calculations indicate nearly monodisperse particles with a size of about 5.1 nm at $260^{\circ}C$ (full width at half maximum = 27.7 nm). Furthermore, the study results confirm that successful doping is achieved by adding $Eu^{3+}$ preparing the growth phase of the ZnSe:Eu QDs when heating-up method. Further, we investigate the correlation between the surface defects and the luminescent properties of the QDs.
스티렌, 폴리(에틸렌 글리콜) 메타크릴레이트 (PEG-MMA) 혹은 폴리(에틸렌 글리콜) 디메타크릴레이트 (PEG-diMMA)를 중성 매질에서 무유화제 (emulsifier-free) 유화 중합하여 표면에 에틸렌 글리콜기를 갖는 폴리스티렌 입자를 합성하였고, 이로부터 동결 건조되어진 분말을 제조하였다. 고분자 분말은 FT-TR 분광기로 구조를 확인하였고, 광산란 입도 분석기와 주사 전자 현미경 (SEM)을 이용하여 입자 크기와 분산도를 조사하였다. 스티렌에 대하여 공단량체 PEG-MMA는 2∼5 mol%, PEG-diMMA는 1 mol% 농도 부근에서 균일한 입자 크기를 얻을 수 있었다. 합성된 입자의 표면 전하를 유전 매질 내에서 ELS-8000 광산란법을 이용하여 제타 포텐셜을 측정하였다. 스티렌에 대하여 PEG-MMA 5 mol%에서 183 mV의 아주 높은 제타 포텐셜이 측정되었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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