Replacing Copper with New Carbon Nanomaterials in Electrical Machine Windings

Electrical machines have significant improvement potential. Nevertheless, the field is characterized by incremental innovations. Admittedly, steady improvement has been achieved, but no breakthrough development. Radical development in the field would require the introduction of new elements, such that may change the whole electrical machine industry system. Recent technological advancements in nanomaterials have opened up new horizons for the macroscopic application of carbon nanotube (CNT) fibres. With values of 100 MS/m measured on individual CNTs, CNT fibre materials hold promise for conductivities far beyond those of metals. Highly conductive, lightweight and strong CNT yarn is finally within reach; it could replace copper as a potentially better winding material. Although not yet providing low resistivity, the newest CNT yarn offers attractive perspectives for accelerated efficiency improvement of electrical machines. In this article, the potential for using new CNT materials to replace copper in machine windings is introduced. It does so, firstly, by describing the environment for a change that could revolutionize the industry and, secondly, by presenting the breakthrough results of a prototype construction. In the test motor, which is to our knowledge the first in its kind, the presently most electrically conductive carbon nanotube yarn replaces usual copper in the windings.

Étude ab initio des nanotubes de carbone

Le sujet de ce mémoire est l’étude ab initio des nanotubes de carbone. Premièrement, une introduction du sujet est présentée. Elle porte sur l’historique, la structure géométrique et électronique et les applications possibles des nanotubes de carbone. En deuxième lieu, la stabilité énergétique des nanotubes de carbones double parois ainsi que leur structure électronique sont étudiées. On trouve entre autres que le changement d’hybridation provoque une chute de l’énergie du dernier niveau occupé pour les petits nanotubes. Troisièmement, nous présenterons une étude sur la dépendance en diamètre et en métallicité du greffage d’unité bromophényle sur la surface des nanotubes. La principale conclusion est qu’il est plus facile de fonctionnaliser les nanotubes de petit diamètre puisque ceux-ci ont déjà une partie d’hybridation sp3 dans leur structure électronique. Finalement, le dernier chapitre aborde la combustion des nanotubes par le dioxyde de carbone. On constate que cette combustion ne peut pas débuter sur une surface intacte, ni par un pontage d’oxygène dû à la grande quantité d’énergie requise. La réaction privilégiée est alors la combustion par les extrémités du nanotube. Nous proposons une dynamique de réaction qui contient une sélectivité en diamètre.

Transport électrique dans les nanotubes de carbone et leurs dérivés fonctionnalisés

Les nanotubes de carbone forment une structure quasi-unidimensionnelle de diamètre nanométrique, dont les propriétés mécaniques et électroniques, en particulier leur remarquable conductivité électrique, présentent un grand potentiel pour la conception de dispositifs électroniques. Les nanotubes fonctionnalisés, c’est-à-dire dont la paroi a été chimiquement modifiée, présentent aussi un intérêt majeur pour leur mise en œuvre facilitée et pour la formation d’une interface active entre le nanotube et l’environnement, cette dernière étant essentielle pour la conception de nanocapteurs chimiques et biologiques. La présente thèse porte sur l’étude des mécanismes gouvernant le transport électrique dans les nanotubes de carbone et leurs dérivés fonctionnalisés. Les travaux, de nature expérimentale, ont été réalisés sur des dispositifs électroniques constitués d’un nanotube individuel monoparoi ou biparoi, additionné de groupes fonctionnels au besoin. En première partie, on s’intéresse à l’effet de la dimensionnalité sur les mécanismes d’injection des porteurs de charge au niveau des contacts électriques avec le nanotube. En seconde partie, on étudie l’effet de la fonctionnalisation covalente sur les propriétés de transport électrique des nanotubes, et on montre notamment que l’impact de l’addition des greffons varie fortement selon leur valence et qu’il est possible d’obtenir des nanotubes fonctionnalisés avec une bonne conductance. En troisième partie, on explore les phénomènes de saturation du courant et de claquage électrique survenant à haut voltage. Enfin, on discute de l’impact des résultats obtenus sur l’avancement de la compréhension des mécanismes de transport électrique dans les systèmes hautement confinés, ainsi que des perspectives fondamentales et technologiques ouvertes par ces travaux.

Propriétés optiques dans l'infrarouge des nanotubes de carbone et du graphène

Les nanotubes de carbone et le graphène sont des nanostructures de carbone hybridé en sp2 dont les propriétés électriques et optiques soulèvent un intérêt considérable pour la conception d’une nouvelle génération de dispositifs électroniques et de matériaux actifs optiquement. Or, de nombreux défis demeurent avant leur mise en œuvre dans des procédés industriels à grande échelle. La chimie des matériaux, et spécialement la fonctionnalisation covalente, est une avenue privilégiée afin de résoudre les difficultés reliées à la mise en œuvre de ces nanostructures. La fonctionnalisation covalente a néanmoins pour effet de perturber la structure cristalline des nanostructures de carbone sp2 et, par conséquent, d’affecter non seulement lesdites propriétés électriques, mais aussi les propriétés optiques en émanant. Il est donc primordial de caractériser les effets des défauts et du désordre dans le but d’en comprendre les conséquences, mais aussi potentiellement d’en exploiter les retombées. Cette thèse traite des propriétés optiques dans l’infrarouge des nanotubes de carbone et du graphène, avec pour but de comprendre et d’expliquer les mécanismes fondamentaux à l’origine de la réponse optique dans l’infrarouge des nanostructures de carbone sp2. Soumise à des règles de sélection strictes, la spectroscopie infrarouge permet de mesurer la conductivité en courant alternatif à haute fréquence des matériaux, dans une gamme d’énergie correspondant aux vibrations moléculaires, aux modes de phonons et aux excitations électroniques de faible énergie. Notre méthode expérimentale consiste donc à explorer un espace de paramètres défini par les trois axes que sont i. la dimensionnalité du matériau, ii. le potentiel chimique et iii. le niveau de désordre, ce qui nous permet de dégager les diverses contributions aux propriétés optiques dans l’infrarouge des nanostructures de carbone sp2. Dans un premier temps, nous nous intéressons à la spectroscopie infrarouge des nanotubes de carbone monoparois sous l’effet tout d’abord du dopage et ensuite du niveau de désordre. Premièrement, nous amendons l’origine couramment acceptée du spectre vibrationnel des nanotubes de carbone monoparois. Par des expériences de dopage chimique contrôlé, nous démontrons en effet que les anomalies dans lespectre apparaissent grâce à des interactions électron-phonon. Le modèle de la résonance de Fano procure une explication phénoménologique aux observations. Ensuite, nous établissons l’existence d’états localisés induits par la fonctionnalisation covalente, ce qui se traduit optiquement par l’apparition d’une bande de résonance de polaritons plasmons de surface (nanoantenne) participant au pic de conductivité dans le térahertz. Le dosage du désordre dans des films de nanotubes de carbone permet d’observer l’évolution de la résonance des nanoantennes. Nous concluons donc à une segmentation effective des nanotubes par les greffons. Enfin, nous montrons que le désordre active des modes de phonons normalement interdits par les règles de sélection de la spectroscopie infrarouge. Les collisions élastiques sur les défauts donnent ainsi accès à des modes ayant des vecteurs d’onde non nuls. Dans une deuxième partie, nous focalisons sur les propriétés du graphène. Tout d’abord, nous démontrons une méthode d’électrogreffage qui permet de fonctionnaliser rapidement et à haute densité le graphène sans égard au substrat. Par la suite, nous utilisons l’électrogreffage pour faire la preuve que le désordre active aussi des anomalies dépendantes du potentiel chimique dans le spectre vibrationnel du graphène monocouche, des attributs absents du spectre d’un échantillon non fonctionnalisé. Afin d’expliquer le phénomène, nous présentons une théorie basée sur l’interaction de transitions optiques intrabandes, de modes de phonons et de collisions élastiques. Nous terminons par l’étude du spectre infrarouge du graphène comportant des îlots de bicouches, pour lequel nous proposons de revoir la nature du mécanisme de couplage à l’œuvre à la lumière de nos découvertes concernant le graphène monocouche.

Étude du potentiel cytotoxique des nanotubes de carbone simple-paroi chez les cellules épithéliales alvéolaires humaines A549

Il existe un grand intérêt pour le développement et les applications des nanotubes de carbone (NTC) car ils ont un énorme potentiel dans diverses applications industrielles. Cependant, leur dimension nanométrique et leur composition chimique peuvent constituer un risque sur la santé humaine. Les mécanismes responsables de la toxicité des NTC restent encore à définir. L’objectif de ce projet était de déterminer la toxicité potentielle de deux types de nanotubes de carbone simple-paroi (NTCSP): RN 000 et RN 003 chez une lignée cellulaire de pneumocytes de type II, les cellules A549. Méthodologie: Les essais MTS et PrestoBlue®, le test d’exclusion au bleu de trypan, la coloration HT-IP et l’Apoptotic Blebs ont été utilisés pour déterminer la toxicité potentielle de ces NTCSP. Résultats: Suite à une exposition de courte durée (24h), l’essai MTS a montré une diminution de la viabilité cellulaire significative de 20% pour [NTCSP] à 50 et 100 µg/ml et 74% pour [NTCSP] à 1000 µg/mL. Le PrestoBlue® a indiqué une mortalité cellulaire d’environ 45% et de 85% pour des concentration de 500 et 1000 µg/ml de NTCSP. Cependant, les données de l’essai d’exclusion du bleu de trypan ont montré que les NTCSP n’altèrent pas la viabilité cellulaire. L’absence d’une altération de la viabilité cellulaire a été confirmée avec la coloration HT-IP et l’Apoptotic Blebs. Cependant, l’interaction des NTCSP avec les cellules A549 a induit un changement de la morphologie cellulaire ; une diminution de la taille ainsi une augmentation de la structure interne des cellules A549. À une exposition à longue durée (72h), les données ont confirmé les résultats d’exposition à 24h. En effet, il n’y a de pas de mortalité cellulaire, mais une diminution de la prolifération cellulaire. En conclusion, notre étude indique que le RN 000 et le RN 003 interagissent avec les cellules A549 sans altérer leur viabilité, mais en induisant une dysfonction mitochondriale qui pourrait avoir plusieurs conséquences sur la fonction cellulaire.

Carbon nanotubes induced crystallization of poly(ethylene terephthalate)

We have investigated the crystallization characteristics of melt compounded nanocomposites of poly(ethylene terephthalate) (PET) and single walled carbon nanotubes (SWNTs). Differential scanning calorimetry studies showed that SWNTs at weight fractions as low as 0.03 wt% enhance the rate of crystallization in PET, as the cooling nanocomposite melt crystallizes at a temperature 10 °C higher as compared to neat PET. Isothermal crystallization studies also revealed that SWNTs significantly accelerate the crystallization process. WAXD showed oriented crystallization of PET induced by oriented SWNTs in a randomized PET melt, indicating the role of SWNTs as nucleating sites.

Carbon Nanotubes-Reinforced PET Nanocomposite by Melt-Compounding

Poly(ethylene terephthalate) (PET) nanocomposites with single-walled carbon nanotubes (SWNTs) have been prepared by a simple melt compounding method. With increasing concentration (0-3 wt %) of SWNTs, the mechanical and dynamic mechanical properties improved, corresponding to effective reinforcement. Melt rheological characterization indicated the effective entanglements provided by SWNTs in the melt state as well. Thermogravimetric analysis suggested no influence of SWNTs on the thermal stability of PET. Electrical conductivity measurements on the composite films pointed out that the melt compounded SWNTs can result in electrical percolation albeit at concentrations exceeding 2 wt %.

Polymer Nanocomposites: Crystallization, Reinforcement and Conductivity through SWNTs

The current research investigates the possibility of using single walled carbon nanotubes (SWNTs) as filler in polymers to impart several properties to the matrix polymer. SWNTs in a polymer matrix like poly(ethylene terephthalate) induce nucleation in its melt crystallization, provide effective reinforcement and impart electrical conductivity. We adopt a simple melt compounding technique for incorporating the nanotubes into the polymer matrix. For attaining a better dispersion of the filler, an ultrasound assisted dissolution-evaporation method has also been tried. The resulting enhancement in the materials properties indicates an improved disentanglement of the nanotube ropes, which in turn provides effective matrix-filler interaction. PET-SWNT nanocomposite fibers prepared through melt spinning followed by subsequent drawing are also found to have significantly higher mechanical propertiesas compared to pristine PET fiber.SWNTs also find applications in composites based on elastomers such as natural rubber as they can impart electrical conductivity with simultaneous improvement in the mechanical properties.

Meshing highly regular structures: The case of super carbon nanotubes of arbitrary order

Mesh generation is an important step inmany numerical methods.We present the “HierarchicalGraphMeshing” (HGM)method as a novel approach to mesh generation, based on algebraic graph theory.The HGM method can be used to systematically construct configurations exhibiting multiple hierarchies and complex symmetry characteristics. The hierarchical description of structures provided by the HGM method can be exploited to increase the efficiency of multiscale and multigrid methods. In this paper, the HGMmethod is employed for the systematic construction of super carbon nanotubes of arbitrary order, which present a pertinent example of structurally and geometrically complex, yet highly regular, structures. The HGMalgorithm is computationally efficient and exhibits good scaling characteristics. In particular, it scales linearly for super carbon nanotube structures and is working much faster than geometry-based methods employing neighborhood search algorithms. Its modular character makes it conducive to automatization. For the generation of a mesh, the information about the geometry of the structure in a given configuration is added in a way that relates geometric symmetries to structural symmetries. The intrinsically hierarchic description of the resulting mesh greatly reduces the effort of determining mesh hierarchies for multigrid and multiscale applications and helps to exploit symmetry-related methods in the mechanical analysis of complex structures.

Adsorption from aqueous solutions on opened carbon nanotubes: organic compounds speed up delivery of water from inside

We report the results of first systematic studies of organic adsorption from aqueous solutions onto relatively long single walled carbon nanotubes (four tubes, in initial and oxidised forms). Using molecular dynamics simulations (GROMACS package) we discuss the behaviour of tube-water as well as tube-adsorbate systems, for three different adsorbates (benzene, phenol and paracetamol).

Associating biosensing properties with the morphological structure of multilayers containing carbon nanotubes on field-effect devices

The control of molecular architecture provided by the layer-by-layer (LbL) technique has led to enhanced biosensors, in which advantageous features of distinct materials can be combined. Full optimization of biosensing performance, however, is only reached if the film morphology is suitable for the principle of detection of a specific biosensor. In this paper, we report a detailed morphology analysis of LbL films made with alternating layers of single-walled carbon nanotubes (SWNTs) and polyamidoamine (PAMAM) dendrimers, which were then covered with a layer of penicillinase (PEN). An optimized performance to detect penicillin G was obtained with 6-bilayer SWNT/PAMAM LbL films deposited on p-Si-SiO(2)-Ta(2)O(5) chips, used in biosensors based on a capacitive electrolyte-insulator-semiconductor (EIS) and a light-addressable potentiometric sensor (LAPS) structure, respectively. Field-emission scanning electron microscopy (FESEM) and atomic force microscopy (AFM) images indicated that the LbL films were porous, with a large surface area due to interconnection of SWNT into PAMAM layers. This morphology was instrumental for the adsorption of a larger quantity of PEN, with the resulting LbL film being highly stable. The experiments to detect penicillin were performed with constant-capacitance (Con Cap) and constant-current (CC) measurements for EIS and LAPS sensors, respectively, which revealed an enhanced detection signal and sensitivity of ca. 100 mV/decade for the field-effect sensors modified with the PAMAM/SWNT LbL film. It is concluded that controlling film morphology is essential for an enhanced performance of biosensors, not only in terms of sensitivity but also stability and response time. (C) 2010 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

Layer-by-Layer Assembly of Carbon Nanotubes Incorporated in Light-Addressable Potentiometric Sensors

The integration of carbon nanotubes in conjunction with a chemical or biological recognition element into a semiconductor field-effect device (FED) may lead to new (bio)chemical sensors. In this study, we present a new concept to develop field-effect-based sensors, using a light-addressable potentiometric sensor (LAPS) platform modified with layer-by-layer (LbL) films of single-walled carbon nanotubes (SWNTs) and polyamidoamine (PAMAM) dendrimers. Film growth was monitored for each layer adsorbed on the LAPS chip by Measuring current-voltage (IIV) curves. The morphology of the films was analyzed via atomic force microscopy (AFM) and field-emission scanning electron microscopy (FESEM), revealing the formation of a highly interconnected nanostructure of SWNTs-network into the dendrimer layers. Constant current (CC) Measurements showed that the incorporation of the PAMAM/SWNT LbL film containing LIP to 6 bilayers onto the LAPS Structure has a high pH sensitivity of ca. 58 mV/pH. The biosensing ability of the devices was tested for penicillin G via adsorptive immobilization of the enzyme penicillinase atop the LgL film. LAPS architectures modified with the LbL film exhibited higher sensitivity, ca. 100 mV/decade, in comparison to ca. 79 mV/decade for all unmodified LAPS, which demonstrates the potential application of the CNT-LbL Structure in field-effect-based (bio)chemical sensors.

Raman evidence of the interaction between multiwalled carbon nanotubes and nanostructured TiO(2)

Nanocomposites of carbon nanotubes and titanium dioxide (TiO(2)) have attracted much attention due to their photocatalytic properties. Although many examples in the literature have visualized these nanocomposites by electron microscopic images, spectroscopic characterization is still lacking with regard to the interaction between the carbon nanotube and TiO(2). In this work, we show evidence of the attachment of nanostructured TiO(2) to multiwalled carbon nanotubes(MWNTs) by Raman spectroscopy. The nanostructured TiO(2) was characterized by both full-width at half-maximum (FWHM) and the Raman shift of the TiO(2) band at ca 144 cm(-1), whereas the average diameter of the crystallite was estimated as approximately 7 nm. Comparison of the Raman spectra of the MWNTs and MWNTs/TiO(2) shows a clear inversion of the relative intensities of the G and D bands, suggesting a substantial chemical modification of the outermost tubes due to the attachment of nanostructured TiO(2). To complement the nanocomposite characterization, scanning electronic microscopy and X-ray diffraction were performed. Copyright (C) 2011 John Wiley & Sons, Ltd.

A New Indirect Electroanalytical Method to Monitor the Contamination of Natural Waters with 4-Nitrophenol Using Multiwall Carbon Nanotubes

The electrochemical detection of the hazardous pollutant 4-nitrophenol (4-NP) at low potentials, in order to avoid matrix interferences, is an important research challenge. This study describes the development, electrochemical characterization and utilization of a multiwall carbon nanotube (MWCNT) film electrode for the quantitative determination of 4-NP in natural water. Electrochemical impedence spectroscopy measurements showed that the modified surface exhibits a decrease of ca. 13 times in the charge transfer resistance when compared with a bare glassy carbon (GC) surface. Voltammetric experiments showed the possibility to oxidize a hydroxylamine layer (produced by the electrochemical reduction of 4-NP on the GC/MWNCT surface) in a potential region which is approximately 700 mV less positive than that needed to oxidize 4-NP, thus minimizing the interference of matrix components. The limit of detection for 4-NP obtained using square-wave voltammetry (0.12 mu mol L(-1)) was lower than the value advised by EPA. A natural water sample from a dam located in Sao Carlos (Brazil) was spiked with 4-NP and analyzed by the standard addition method using thee GC/MWCNT electrode, without any further purification step. the recovery procedure yielded a value of 96.5% for such sample, thus confirming the suitability of the developed method to determine 4-NP in natural water samples. The electrochemical determination was compared with that obtained by HPLC with UV-vis detection.

Electrocatalytic behavior of glassy carbon electrodes modified with multiwalled carbon nanotubes and cobalt phthalocyanine for selective analysis of dopamine in presence of ascorbic acid

This work describes the development, electrochemical characterization and utilization of a cobalt phthalocyanine modified carbon nanotube electrode for the quantitative determination of dopamine in 0.2 mol L-1 phosphate buffer contaminated with high concentration of ascorbic acid. The electrode surface was analyzed by cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy which showed a modified surface presenting a charge transfer resistance of 500 Omega, against the 16.46 k Omega value found for the bare glassy carbon surface. A pseudo rate constant value of 5.4 x 10(-4) cm s(-1) for dopamine oxidation was calculated. Voltammetric experiments showed a shift of the peak potential of DA oxidation to less positive value at 390 mV as compared with that of a bare GC electrode at 570 mV. The electrochemical determination of dopamine, in presence of ascorbic acid in concentrations up to 0.1 mol L-1 by differential pulse voltarnmetry, yielded a detection limit as low as 2.56 x 10(-7) mol L-1.