Quantum beam technology has been expected to develop breakthroughs for nanotechnology during the third basic plan of science and technology (2006~2010). Recently, Green- or Life Innovations has taken over the national interests in the fourth basic science and technology plan (2011~2015). The NIMS (National Institute for Materials Science) has been conducting the corresponding mid-term research plans, as well as other national projects, such as nano-Green project (Global Research for Environment and Energy based on Nanomaterials science). In this lecture, the research trends in Japan and NIMS are firstly reviewed, and the typical achievements are highlighted over key nanotechnology fields. As one of the key nanotechnologies, the quantum beam research in NIMS focused on synchrotron radiation, neutron beams and ion/atom beams, having complementary attributes. The facilities used are SPring-8, nuclear reactor JRR-3, pulsed neutron source J-PARC and ion-laser-combined beams as well as excited atomic beams. Materials studied are typically fuel cell materials, superconducting/magnetic/multi-ferroic materials, quasicrystals, thermoelectric materials, precipitation-hardened steels, nanoparticle-dispersed materials. Here, we introduce a few topics of neutron scattering and ion beam nanofabrication. For neutron powder diffraction, the NIMS has developed multi-purpose pattern fitting software, post RIETAN2000. An ionic conductor, doped Pr2NiO4, which is a candidate for fuel-cell material, was analyzed by neutron powder diffraction with the software developed. The nuclear-density distribution derived revealed the two-dimensional network of the diffusion paths of oxygen ions at high temperatures. Using the high sensitivity of neutron beams for light elements, hydrogen states in a precipitation-strengthened steel were successfully evaluated. The small-angle neutron scattering (SANS) demonstrated the sensitive detection of hydrogen atoms trapped at the interfaces of nano-sized NbC. This result provides evidence for hydrogen embrittlement due to trapped hydrogen at precipitates. The ion beam technology can give novel functionality on a nano-scale and is targeting applications in plasmonics, ultra-fast optical communications, high-density recording and bio-patterning. The technologies developed are an ion-and-laser combined irradiation method for spatial control of nanoparticles, and a nano-masked ion irradiation method for patterning. Furthermore, we succeeded in implanting a wide-area nanopattern using nano-masks of anodic porous alumina. The patterning of ion implantation will be further applied for controlling protein adhesivity of biopolymers. It has thus been demonstrated that the quantum beam-based nanotechnology will lead the innovations both for nano-characterization and nano-fabrication.
Poly [(dimethylmethylvinyl)siloxane 공중합체(PMViS)를 phosphorus oxychloride $(POCl_3)$와 반응시켜 poly [(dimethylmethylvinyl) siloxane] phosphine oxides (PMViSPO)를 제조하였다. Cadmium selenide (CdSe)는 cadmium oxide(CdO), tetradecylphosphonic acid(TDPA), trioctylphosphine oxide(TOPO)를 $300^{\circ}C$에서 반응시키고 여기에 Se를 용해시킨 tributylphosphine(TBP)과 trioctylphosphine(TOP)을 가한 다음 $320^{\circ}C$에서 반응시켜 제조하였다. 또한 CdSe 제조 용액에 PMViSPO를 가하여 CdSe-SPO adduct를 제조하였다. 백금 촉매 존재 하에서 $\alpha,\omega-vinyl$ poly(dimethylsiloxane) (VPMS), HPMS, CdSe 또는 CdSe-SPO를 고속 교반기에 취하고 컴파운딩하여 CdSe 함유 액상실리콘 고무 composite (LSRC-1)와 CdSe-SPO 함유 LSR composite (LSRC-2)를 제조하였다. 제조한 LSR composites 내에 함유된 형광 물질인 CdSe nanoparticles의 분산형태를 측정하여 입자 크기가 $30\sim50nm$인 입자가 균일하게 분포되어 있음을 확인하였고 LSRC-2의 분산도가 LSRC-1보다 우수함을 확인하였다. 또한 CdSe 입자의 개수를 측정한 결과 동일한 면적에 대하여 166개와 202개로 보다 많은 개수의 CdSe가 LSRC-2에 함유됨을 알 수 있었다. LSR composites의 열적 특성을 측정한 결과 CdSe-SPO가 함유된 LSRC-2의 열안정성이 높게 나타났다.
본 연구는 수계에서 오랜 시간 동안 안정한 생체적합 금 나노업자의 제조에 관한 것으로, 환원제와 안정제의 역할을 동시에 수행하는 폴리에틸렌이민을 이용해 응집성이 낮은 초미립 폴리에틸렌이민 금 나노입자를 상온의 수용액 상에서 합성하였다. 폴리에틸렌이민 금 나노입자의 평균 입자크기는 8~12 nm이었고, 수계의 나노콜로이드 %에서 50nm 내외의 클러스터를 형성하였으며, 매우 뛰어난 안정성을 보였다. 상대적으로 낮은 금속 전구체의 농도에서 나노입자를 제조하였을 때, 입자의 크기가 두드러지게 감소하는 경향을 나타내었다. 폴리에틸렌이민-금 나노입자의 X-선 회절분석 결과, 금에서 나타나는 전형적인 결정 피크가 발견되었다. 또한 세포배양실험 결과, 폴리에틸렌이민과는 달리 폴리에틸렌이민-금 나노입자는 98%의 세포 생존율을 보여 세포독성은 거의 없는 것으로 나타났다. 이상의 결과로부터 본 연구에서 합성된 폴리에틸렌이민-금 나노입자는 CT 조영제 등으로의 활용이 기대된다.
고온 무가습 조건에서 고분자 전해질 막의 수화성 및 수소이온 전도도 향상을 위해 sulfonated poly(aryl ether sulfone) 전해질 고분자에 sulfated $ZrO_2$ ($s-ZrO_2$)를 함침시킨 유-무기 복합막을 제조하였다. X-ray diffraction를 통해 $s-ZrO_2$ 의 구조적 특징과 입자크기를 확인하였으며 추가적으로 FT-IR 분석을 통해, $s-ZrO_2$입자에 술폰산기가 화학적으로 결합되어 있음을 확인 할 수 있었다. 다양한 $s-ZrO_2$ 조성비를 가진 유-무기 복합막의 이점을 확인하기 위해서 이온교환능력, 함수율, 수소이온 전도도를 측정하였다. 실험결과, $s-ZrO_2$의 조성비를 달리한 유-무기 복합막의 수소이온 전도도는, 5 wt% $s-ZrO_2$를 함유한 유-무기 복합막의 경우에서, 상온 수화조건 뿐만 아니라 $100^{\circ}C$ 이상의 무가습 조건에서 매우 높은 수소 이온 전도도를 나타내었다. 특히 $120^{\circ}C$ 무가습 조건에서도 5 wt% $s-ZrO_2$를 함유한 유-무기 복합막이 $0.0018\;S\;cm^{-1}$의 매우 높은 전도도를 나타냄으로써 $100^{\circ}C$ 이상의 고온에서도 높은 수화도를 유지하는 유-무기 복합막의 제조가 가능하였다.
Mo,Cu-doped CeO2 (CMCuO) nanopowders were synthesized by the nitrate-fuel combustion method aiming to improve the electrical and electrochemical properties of its Mo-doped CeO2 (CMO) parent by the addition of copper. An electrical conductivity of ca. 1.22·10-2 S cm-1 was measured in air at 800℃ for CMCuO, which is nearly 10 times higher than that reported for CMO. This increase was associated with the inclusion of copper into the crystal lattice of ceria and the presence of Cu and Cu2O as secondary phases in the CMCuO structure, which also could explain the increase in the charge transfer activities of the CMCuO based anode for the hydrogen and carbon monoxide electro-oxidation processes compared to the CMO based anode. A maximum power density of ca. 120 mW cm-2 was measured using a CMCuO based anode in a solid oxide fuel cell (SOFC) with YSZ electrolyte and LSM-YSZ cathode operating at 800℃ with humidified syngas as fuel, which is comparable to the power output reported for other SOFCs with anodes containing copper. An increase in the area specific resistance of the SOFC was observed after ca. 10 hours of operation under cycling open circuit voltage and polarization conditions, which was attributed to the anode delamination caused by the reduction of the Cu2O secondary phase contained in its microstructure. Therefore, the addition of a more electroactive phase for hydrogen oxidation is suggested to confer long-term stability to the CMCuO based anode.
The property and performance of the $Al_2O_3/Ni$ nanocomposites have been known to strongly depend on the structural feature of Ni nanodispersoids which affects considerably the structure of matrix. Such nanodispersoids undergo structural evolution in the process of consolidation. Thus, it is very important to understand the microstructural development of Ni nanodispersoids depending on the structure change of the matrix by consolidation. The present investigation has focused on the growth mechanism of Ni nanodispersoids in the initial stage of sintering. $Al_2O_3/Ni$ powder mixtures were prepared by wet ball milling and hydrogen reduction of $Al_2O_3$ and Ni oxide powders. Microstructural development and the growth mechanism of Ni dispersion during isothermal sintering were investigated depending on the porosity and structure of powder compacts. The growth mechanism of Ni was discussed based upon the reported kinetic mechanisms. It is found that the growth mechanism is closely related to the structural change of the compacts that affect material transport for coarsening. The result revealed that with decreasing porosity by consolidation the growth mechanism of Ni nanoparticles is changed from the migration-coalescence process to the interparticle transport mechanism.
Ji, Byung Chul;Bae, Sang Su;Rabbani, Mohammad Mahbub;Yeum, Jeong Hyun
한국염색가공학회지
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제25권2호
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pp.94-101
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2013
Poly(acrylonitrile) (PAN) nanofibers containing different amounts of titanium dioxide ($TiO_2$) have been prepared by electrospinning technique. Photocatalytic activity of these electrospun PAN/$TiO_2$ nanofibers and the effect of $TiO_2$ content on the photocatalytic efficiency of PAN/$TiO_2$ nanofibers have been evaluated by monitoring the photodecomposition of fluorescein dye, rhodamine B and methylene blue under UV irradiation with respect to irradiation time. Moreover, the effect of hydrogen peroxide ($H_2O_2$) on the photocatalytic behavior of PAN/$TiO_2$ nanofibers has also been investigated. The results showed that PAN/$TiO_2$ nanofibers are effective photocatalyst and their photocatalytic efficiency increases with the increase of $TiO_2$ content in the PAN/$TiO_2$ nanofibers. It is also observed that the presence of $H_2O_2$ significantly enhances the photocatalytic ability of PAN/$TiO_2$ nanofibers. The morphology and the photocatalytic behavior of the PAN/$TiO_2$ nanofibers containing different amounts of $TiO_2$ nanoparticles have been investigated by field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM) and UV/Visible spectroscopy, respectively.
Nanoparticles of PbTe are prepared via chemical reaction of the equimolar aqueous solutions of $Pb(CH_3COO)_2$ and Te at $120^{\circ}C$. The size of the obtained particles is 100 nm after calcination in a hydrogen atmosphere. Dense specimens for the thermoelectric characterization are produced by spark plasma sintering of prepared powders at $400^{\circ}C$ to $500^{\circ}C$ under 80 MPa for 5 min. The relative densities of the prepared specimens reach approximately 97% and are identified as cubic based on X-ray diffraction analyses. The thermoelectric properties are evaluated between $100^{\circ}C$ and $300^{\circ}C$ via electrical conductivity, Seebeck coefficient, and thermal conductivity. Compared with PbTe ingot, the reduction of the thermal conductivities by more than 30% is verified via phonon scattering at the grain boundaries, which thus contributes to the increase in the figure of merit.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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