Photoluminescence from carbon nanotubes

We observed yellow colored light emission bands from multiwalled carbon nanotubes in photo-luminescence (PL) experiments. The light emission band features indicate that the PL bands are associated with the electronic properties inherent to the carbon nanotube (CNT) structures.

The synthesis of ionic-liquid-functionalized multiwalled carbon nanotubes decorated with highly dispersed Au nanoparticles and their use in oxygen reduction by electrocatalysis

Multiwalled carbon nanotube (MWCNT)/ionic liquid/gold nanoparticle hybrid materials have been prepared by a chemical route that involves functionalization of MWCNT with amine-terminated ionic liquids followed by deposition of Au. Transmission electron microscopy revealed well-distributed Au with a narrow size distribution centered around 3.3 nm. The identity of the hybrid material was confirmed through Raman and X-ray photoelectron spectroscopy.

Preparation of Prussian blue@Pt nanoparticles/carbon nanotubes composite material for efficient determination of H2O2

In this study, the fabrication of an efficient amperometric hydrogen peroxide sensor with favorable properties is presented. Prussian blue (PB) was catalytically synthesized by Pt nanoparticles (Pt-nano) from ferric ferricyanide aqueous solution to form PB@Pt-nano hybrid, and it was confirmed by transmission electron microscope (TEM) and optical spectra. The electrochemical behavior of PB@Pt-nano was highly improved through its integration with poly(diallyldimethylammonium chloride) modified carbon nanotubes (PCNTs).

i-Motif Quadruplex DNA-Based Biosensor for Distinguishing Single- and Multiwalled Carbon Nanotubes

The increasing worldwide demand for carbon nanotubes (CNTs) and increasing concern regarding how to safely develop and use CNTs are requiring a low-cost, simple, and highly sensitive CNT detection assay for toxicological evaluation and environmental monitoring. However, this goal is still far from being achieved. All the current CNT detection techniques are not,applicable for automation and field analysis because they are dependent on highly expensive special instruments and complicated sample preparation. On the basis of the capability of single-walled carbon nanotubes (SWNTs) to specifically induce human telomeric i-motif formation, we design an electrochemical DNA (E-DNA) sensor that can distinguish single- and multiwalled carbon nanotubes both in buffer and in cell extracts. The E-DNA sensor can selectively detect SWNTs; with a direct detection limit of 0.2 ppm and has been demonstrated in cancer cell extracts. To the best of our knowledge, this is the first demonstration of a biosensing technique that can distinguish different types of nanotubes. Our work will provide new insights into how to design a biosensor for detection of carbon nanotubes.

Electrochemiluminescence sensor based on partial sulfonation of polystyrene with carbon nanotubes

Herein, homogenously partial sulfonation of polystyrene (PSP) was performed. An effective electrochemiluminescence (ECL) sensor based on PSP with carbon nanotube (CNTs) composite film was developed. Cyclic voltammetry and electrochemical impendence spectroscopy were applied to characterize this composite film. The PSP was used as an immobilization matrix to entrap the ECL reagent Ru(bpy)(3)(2+) due to the electrostatic interactions between sulfonic acid groups and Ru(bpy)(3)(2+) cations. The introduction of CNTs into PSP acted not only as a conducting pathway to accelerate the electron transfer but also as a proper matrix to immobilize Ru(bpy)(3)(2+) on the electrode by hydrophobic interaction. Furthermore, the results indicated the ECL intensity produced at this composite film was over 3-fold compared with that of the pure PSP film due to the electrocatalytic activity of the CNTs. Such a sensor was verified by the sensitive determinations of 2-(dibutylamino)ethanol and tripropylamine.

Carbon nanotubes and glucose oxidase bionanocomposite bridged by ionic liquid-like unit: Preparation and electrochemical properties

For their biocompatibility and potential bionanoelectronic applications, integration of carbon nanotubes (CNTs) with biomolecules such as redox enzyme is highly anticipated. Therein, CNTs are expected to act not only as an electron transfer promoter, but also as immobilizing substrate for biomolecules. In this report, a novel method for immobilization of biomolecules on CNTs was proposed based on ionic interaction, which is of universality and widespread use in biological system. As illustrated, glucose oxidase (GOD) and single-walled carbon nanotubes (SWNTs) were integrated into a unitary bionanocomposite by means of ionic liquid-like unit on functionalized SWNTs. The resulted bionanocomposite illustrated better redox response of immobilized GOD in comparison of that prepared by weak physical absorption without ionic interaction. As a potential application of concept, the electrochemical detection of glucose was exemplified based on this novel bionanocomposite.

Design and synthesis of hierarchical MnO2 nanospheres/carbon nanotubes/conducting polymer ternary composite for high performance electrochemical electrodes.

For efficient use of metal oxides, such as MnO(2) and RuO(2), in pseudocapacitors and other electrochemical applications, the poor conductivity of the metal oxide is a major problem. To tackle the problem, we have designed a ternary nanocomposite film composed of metal oxide (MnO(2)), carbon nanotube (CNT), and conducting polymer (CP). Each component in the MnO(2)/CNT/CP film provides unique and critical function to achieve optimized electrochemical properties. The electrochemical performance of the film is evaluated by cyclic voltammetry, and constant-current charge/discharge cycling techniques. Specific capacitance (SC) of the ternary composite electrode can reach 427 F/g. Even at high mass loading and high concentration of MnO(2) (60%), the film still showed SC value as high as 200 F/g. The electrode also exhibited excellent charge/discharge rate and good cycling stability, retaining over 99% of its initial charge after 1000 cycles. The results demonstrated that MnO(2) is effectively utilized with assistance of other components (fFWNTs and poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) in the electrode. Such ternary composite is very promising for the next generation high performance electrochemical supercapacitors.

Diameter-selective solubilization of carbon nanotubes by lipid micelles

The one-step dispersion of HiPco single-walled carbon nanotubes in aqueous media with the use of a synthetic lyso-phosphatidylcholine was studied. Solubilization occurs through wrapping of lipid molecules around the circumference of the tubes, yielding lipid monolayers on the graphitic sidewalls as evidenced by atomic force microscopy imaging and dynamic light scattering measurements. Raman spectroscopy showed that the dispersion and centrifugation process leads to an effective enrichment of the stable aqueous suspension in carbon nanostructures with smaller diameters.

Broken symmetry and pseudogaps in ropes of carbon nanotubes

We investigate the influence of tube-tube interactions in ropes of (10,10) carbon nanotubes, and find that these effects induce a pseudogap in the density of state (DOS) of the rope of width 0.1 eV at the Fermi level. In an isolated (n,n) carbon nanotube there are two bands that cross in a linear fashion at the Fermi level, making the nanotube metallic with a DOS that is constant in a 1.5 eV wide window around the Fermi energy. The presence of the neighbouring tubes causes these two bands to repel, opening up a band gap that can be as large as 0.3 eV. The small dispersion in the plane perpendicular to the rope smears out this gap for a rope with a large cross-sectional area, and we see a pseudogap at the Fermi energy in the DOS where the DOS falls to one third of its value for the isolated tube. This phenomenon should affect many properties of the behavior of ropes of (n,n) nanotubes, which should display a more semimetallic character than expected in transport and doping experiments, with the existence of both hole and electron carriers leading to qualitatively different thermopower and Hall-effect behaviors from those expected for a normal metal. Band repulsion like this can be expected to occur for any tube perturbed by a sufficiently strong interaction, for example, from contact with a surface or with other tubes.

Incorporation of multiwalled carbon nanotubes to acrylic based bone cements: Effects on mechanical and thermal properties

Polymethyl methacrylate (PMMA) bone cement–multiwalled carbon nanotube (MWCNT) nanocomposites with a weight loading of 0.1% were prepared using 3 different methods of MWCNT incorporation. The mechanical and thermal properties of the resultant nanocomposite cements were characterised in accordance with the international standard for acrylic resin cements. The mechanical properties of the resultant nanocomposite cements were influenced by the type of MWCNT and method of incorporation used. The exothermic polymerisation reaction for the PMMA bone cement was significantly reduced when thermally conductive functionalised MWCNTs were added. This reduction in exotherm translated in a decrease in thermal necrosis index value of the respective nanocomposite cements, which potentially could reduce the hyperthermia experienced in vivo. The morphology and degree of dispersion of the MWCNTs in the PMMA matrix at different scales were analysed using scanning electron microscopy. Improvements in mechanical properties were attributed to the MWCNTs arresting/retarding crack propagation through the cement by providing a bridging effect into the wake of the crack, normal to the direction of crack growth. MWCNT agglomerations were evident within the cement microstructure, the degree of these agglomerations was dependent on the method used to incorporate the MWCNTs into the cement.

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.