Sintesi e caratterizzazione di nanopolveri composite allumina-zirconia

Il presente lavoro di tesi riguarda la sintesi di nanopolveri allumina-zirconia, seguendo tre differenti metodologie (sintesi per coprecipitazione, sintesi con il metodo dei citrati, sintesi idrotermale assistita da microonde) e il trattamento termico (calcinazione) delle polveri ottenute, mediante tecniche di riscaldamento convenzionali ed alternative (microonde). Lo scopo del lavoro è consistito nell’individuare, tra le tecniche esaminate, quella più idonea e conveniente, per la preparazione di nanopolveri cristalline 95 mol% Al2O3 – 5 mol% ZrO2 e nell’esaminare gli effetti che la calcinazione condotta con le microonde, ha sulle caratteristiche finali delle polveri, rispetto ai trattamenti termici convenzionali. I risultati ottenuti al termine del lavoro hanno evidenziato che, tra le tecniche di sintesi esaminate, la sintesi idrotermale assistita da microonde, risulta il metodo più indicato e che, il trattamento termico eseguito con le microonde, risulta di gran lunga vantaggioso rispetto a quello convenzionale. La sintesi idrotermale assistita da microonde consente di ottenere polveri nano cristalline poco agglomerate, che possono essere facilmente disaggregate e con caratteristiche microstrutturali del tutto peculiari. L’utilizzo di tale tecnica permette, già dopo la sintesi a 200°C/2ore, di avere ossido di zirconio, mentre per ottenere gli ossidi di alluminio, è sufficiente un ulteriore trattamento termico a basse temperature e di breve durata (400°C/ 5 min). Si è osservato, inoltre, che il trattamento termico condotto con le microonde comporta la formazione delle fasi cristalline desiderate (ossidi di alluminio e zirconio), impiegando (come per la sintesi) tempi e temperature significativamente ridotti. L’esposizione delle polveri per tempi ridotti e a temperature più basse consente di evitare la formazione di aggregati duri nelle nanopolveri finali e di contrastare il manifestarsi di fenomeni di accrescimento di grani, preservando così la “nanostruttura” delle polveri e le sue caratteristiche proprietà.

Maßgeschneiderte Kieselgelträger für die metallocen-katalysierte Polyolefinsynthese

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese und Charakterisierung von porösen Kieselgelen und ihrem Einsatz als Träger in der heterogenen metallocen-katalysierten Polymerisation von Ethylen. Im Vordergrund stand die Optimierung dieses Prozesses durch das Maßscheidern der Trägereigenschaften unter sonst identischen Polymerisationsbedingungen und das Erforschen des heterogenen Polymerisationsprozesses. Das verwendete Katalysatorsystem (Methylaluminoxan mit Dicyclopentadienylzirkoniumdichlorid) besitzt sehr hohe Aktivitäten und verbleibt im Falle der heterogenen Reaktionsführung im Produkt. Der Mechanismus verläuft über mehrere Phasen, wobei besonderes Augenmerk auf die Trägerpartikelfragmentierung gelenkt wurde. Es wurden zwei Synthesekonzepte für die Herstellung der Träger verfolgt. Im ersten Teil der Arbeit wurden monodisperse unporöse Kieselgel-Nanopartikel (Monosphere) zu Agglomeratträgern über einen Sprühtrocknungsprozess aufgebaut. Die Stabilität der Agglomerate wurde über den Zusatz von monodispersen Kieselgel-Binderpartikeln während der Herstellung variiert. Es wurden sowohl die porenstrukturellen als auch morphologischen Eigenschaften der Agglomeratprodukte untersucht und mit den physiko-chemischen Eigenschaften der Nanopartikel korreliert. In einem zweiten Ansatz wurden sphärische hochporöse Kieselgele mit abgestufter Porosität bei konstanter spezifischer Oberfläche hergestellt und als Träger in der Polyethylensynthese getestet.

Idrolisi diretta di cellulosa e lignocellulosa in catalisi eterogenea

This work deals with a comparison of the catalytic behavior of several heterogeneous acid catalysts in the direct hydrolysis of an untreated softwood dust. Amongst the various catalysts investigated, some were characterized by relatively high yield to monosaccharides, such as a Zirconium phosphate and the reference Amberlyst 15. Conversely, some catalyst types, ie, Sn/W mixed oxide and Zirconia-grafted trifluoromethanesulphonic acid, were selective into glucose, since sugars derived from hemicellulose dissolution and hydrolysis were rapidly degraded. A detailed analysis of the reactivity of Zr/P/O was pursued, in the hydrolysis of both untreated and ball-milled microcrystalline cellulose; at 150°C and 3h reaction time, the catalyst gave high selectivity to glucose, with negligible formation of 5-hydroxymethylfurfural, and moderate cellulose conversion. After ball-milling of the cellulose, a remarkable increase of conversion was achieved, still with a high selectivity to glucose and very low formation of degradation compounds. The catalyst showed high affinity for β-1,4-glucans, as demonstrated by the activity in cellobiose hydrolysis into glucose.

Self assembled materials for solar cell application

In der vorliegenden Arbeit wurden Materialien und Aufbauten für Hybrid Solarzellen entwickelt und erforscht. rnDer Vergleich zweier bekannter Lochleitermaterialien für Solarzellen in einfachen Blend-Systemen brachte sowohl Einsicht zur unterschiedlichen Eignung der Materialien für optoelektronische Bauelemente als auch neue Erkenntnisse in Bereichen der Langzeitstabilität und Luftempfindlichkeit beider Materialien.rnWeiterhin wurde eine Methode entwickelt, um Hybrid Solarzelle auf möglichst unkomplizierte Weise aus kostengünstigen Materialien darzustellen. Die „Eintopf“-Synthese ermöglicht die unkomplizierte Darstellung eines funktionalen Hybridmaterials für die optoelektronische Anwendung. Mithilfe eines neu entwickelten amphiphilen Blockcopolymers, das als funktionelles Templat eingesetzt wurde, konnten mit einem TiO2-Precursor in einem Sol-Gel Ansatz verschiedene selbstorganisierte Morphologien des Hybridmaterials erhalten werden. Verschiedene Morphologien wurden auf ihre Eignung in Hybrid Solarzellen untersucht. Ob und warum die Morphologie des Hybridsystems die Effizienz der Solarzelle beeinflusst, konnte verdeutlicht werden. Mit der Weiterentwicklung der „Eintopf“-Synthese, durch den Austausch des TiO2-Precursors, konnte die Solarzelleneffizienz von 0.15 auf 0.4 % gesteigert werden. Weiterhin konnte die Übertragbarkeit des Systems durch den erfolgreichen Austausch des Halbleiters TiO¬2 mit ZnO bewiesen werden.rn

Massenspektrometrische Untersuchungen des Komplexierungsverhaltens von Actinid-Ionen in Lösung

Da die Langzeit-Radiotoxizität von abgebrannten Kernbrennstoffen von Plutonium und den minoren Actiniden dominiert wird, sind diese Elemente im Fokus der Untersuchungen bezüglich der Entsorgung der radioaktiven Abfälle.rnUm ein besseres Verständnis der Selektivität der Partitioning-Liganden BTP und BTBP bezüglich der Extraktion von trivalenten Actiniden zu erlangen, wurden die Komplexe, die diese mit Lanthaniden in octanolischer Lösung bilden charakterisiert. Das unterschiedliche Extraktionsverhalten der Lanthaniden untereinander konnte dabei auf unterschiedliche Präferenz zur Bildung von Ln(BTP)3-Komplexen abhängig vom Ionenradius der Lanthaniden zurückgeführt werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass abhängig vom sterischen Anspruch der BTBP-Liganden in Eu(BTBP)2-Komplexen Nitratliganden in der ersten Koordinationssphäre gebunden werden. rnDa das Verhalten von Plutonium unter geochemischen Bedingungen von besonderem Interesse für die Risikoabschätzung von nuklearen Endlagern ist, widmet sich der zweite Teil der Arbeit dem Hydrolyse- und Kolloidbildungsverhalten von wässrigen Plutoniumlösungen in den Oxidationsstufen IV bis VI. Daher wurden die Lösungsspezies von sowohl Zirconium(IV) als Analogon für Plutonium(IV), als auch die von Uran(VI) und Plutonium(VI) direkt mittels massenspektrometrischer Methoden charakterisiert und quantifiziert. Darüber hinaus wurde die kinetische Hemmung der Reduktion von Pu(V) zu Pu(IV) und nachfolgender Kolloidbildung untersucht, welche sich durch oberflächeninduzierte Reduktion an kolloidalen Kristallisationskeimen deutlich beschleunigen lässt.rn

90 Nb: potential radionuclide for application in immuno-PET : development of appropriate production strategy and first in vivo evaluation of 90 Nb-labeled monoclonal antibody

Die Nuklearmedizin ist ein modernes und effektives Werkzeug zur Erkennung und Behandlung von onkologischen Erkrankungen. Molekulare Bildgebung, die auf dem Einsatz von Radiopharmaka basiert, beinhaltet die Einzel-Photonen-Emissions-Tomographie (SPECT) und Positronenemissions¬tomographie (PET) und ermöglicht die nicht-invasive Visualisierung von Tumoren auf nano-und picomolarer Ebene.rnDerzeit werden viele neue Tracer für die genauere Lokalisierung von kleinen Tumoren und Metastasen eingeführt und hinsichtlich ihrer Eignung untersucht. Die meisten von ihnen sind Protein-basierte Biomoleküle, die die Natur selbst als Antigene für die Tumorzellen produziert. Dabei spielen Antikörper und Antikörper-Fragmente eine wichtige Rolle in der Tumor-Diagnostik und Behandlung. Die PET-Bildgebung mit Antikörpern und Antikörperfragmenten bezeichnet man als immuno-PET. Ein wichtiger Aspekt hierbei ist, dass entsprechende Radiopharmaka benötigt werden, deren Halbwertszeit mit der Halbwertszeit der Biomoleküle korreliert ist.rnIn neueren Arbeiten wird 90Nb als potenzieller Kandidat für die Anwendung in der immuno-PET vorgeschlagen. Seine Halbwertszeit von 14,6 Stunden ist geeignet für die Anwendung mit Antikörperfragmenten und einige intakten Antikörpern. 90Nb hat eine relativ hohen Anteil an Positronenemission von 53% und eine optimale Energie für die β+-Emission von 0,35 MeV, die sowohl eine hohe Qualität der Bildgebung als auch eine niedrige Aktivitätsmenge des Radionuklids ermöglicht.rnErsten grundlegende Untersuchungen zeigten: i) dass 90Nb in ausreichender Menge und Reinheit durch Protonen-Bombardierung des natürlichen Zirkonium Targets produziert, ii) aus dem Targetmaterial in entsprechender radiochemischer Reinheit isoliert und iii) zur Markierung des monoklonalen Antikörpers (Rituximab) verwendet werden kann und iv) dieser 90Nb-markierte mAb eine hohe in vitro Stabilität besitzt. Desweiteren wurde eine alternative und schnelle Abtrennungsmethode entwickelt, die es erlaubt 90Nb, mit einer geeigneten radiochemischen und radionuklidischen Reinheit für eine anschließende Markierung von Biomolekülen in einer Stunde zu aufzureinigen. Schließlich wurden erstmals 90Nb-markierte Biomolekülen in vivo untersucht. Desweiteren wurden auch Experimente durchgeführt, um den optimalen bifunktionellen Chelatbildner (BFC) für 90Niob zu finden. Mehrere BFC wurden hinsichtlich Komplexbildung mit NbV untersucht. Desferrioxamin (Df) erwies sich als geeignetster Chelator für 90Nb. Der monoklonale Antikörper Bevacizumab (Avastin®) wurde mit 90Nb markiert und eine Biodistributionsstudie und eine PET-Untersuchung durchgeführt. Alle diese Ergebnisse zeigten, dass 90Nb ein vielversprechendes Radionuklid für die Immuno-PET ist, welches sogar für weitere kommerzielle Anwendungen in der klinischen Routine geeignet zu sein scheint.rn

Thermoelectric properties of TiNiSn and Zr 0.5 Hf 0.5 NiSn thin films and superlattices with reduced thermal conductivities

Durch steigende Energiekosten und erhöhte CO2 Emission ist die Forschung an thermoelektrischen (TE) Materialien in den Fokus gerückt. Die Eignung eines Materials für die Verwendung in einem TE Modul ist verknüpft mit der Gütezahl ZT und entspricht α2σTκ-1 (Seebeck Koeffizient α, Leitfähigkeit σ, Temperatur T und thermische Leitfähigkeit κ). Ohne den Leistungsfaktor α2σ zu verändern, soll ZT durch Senkung der thermischen Leitfähigkeit mittels Nanostrukturierung angehoben werden.rnBis heute sind die TE Eigenschaften von den makroskopischen halb-Heusler Materialen TiNiSn und Zr0.5Hf0.5NiSn ausgiebig erforscht worden. Mit Hilfe von dc Magnetron-Sputterdeposition wurden nun erstmals halbleitende TiNiSn und Zr0.5Hf0.5NiSn Schichten hergestellt. Auf MgO (100) Substraten sind stark texturierte polykristalline Schichten bei Substrattemperaturen von 450°C abgeschieden worden. Senkrecht zur Oberfläche haben sich Korngrößen von 55 nm feststellen lassen. Diese haben Halbwertsbreiten bei Rockingkurven von unter 1° aufgewiesen. Strukturanalysen sind mit Hilfe von Röntgenbeugungsexperimenten (XRD) durchgeführt worden. Durch Wachstumsraten von 1 nms 1 konnten in kürzester Zeit Filmdicken von mehr als einem µm hergestellt werden. TiNiSn zeigte den höchsten Leistungsfaktor von 0.4 mWK 2m 1 (550 K). Zusätzlich wurde bei Raumtemperatur mit Hilfe der differentiellen 3ω Methode eine thermische Leitfähigkeit von 2.8 Wm 1K 1 bestimmt. Es ist bekannt, dass die thermische Leitfähigkeit mit der Variation von Massen abnimmt. Weil zudem angenommen wird, dass sie durch Grenzflächenstreuung von Phononen ebenfalls reduziert wird, wurden Übergitter hergestellt. Dabei wurden TiNiSn und Zr0.5Hf0.5NiSn nacheinander abgeschieden. Die sehr hohe Kristallqualität der Übergitter mit ihren scharfen Grenzflächen konnte durch Satellitenpeaks und Transmissionsmikroskopie (STEM) nachgewiesen werden. Für ein Übergitter mit einer Periodizität von 21 nm (TiNiSn und Zr0.5Hf0.5NiSn jeweils 10.5 nm) ist bei einer Temperatur von 550 K ein Leistungsfaktor von 0.77 mWK 2m 1 nachgewiesen worden (α = 80 µVK 1; σ = 8.2 µΩm). Ein Übergitter mit der Periodizität von 8 nm hat senkrecht zu den Grenzflächen eine thermische Leitfähigkeit von 1 Wm 1K 1 aufgewiesen. Damit hat sich die Reduzierung der thermischen Leitfähigkeit durch die halb-Heusler Übergitter bestätigt. Durch die isoelektronischen Eigenschaften von Titan, Zirkonium und Hafnium wird angenommen, dass die elektrische Bandstruktur und damit der Leistungsfaktor senkrecht zu den Grenzflächen nur schwach beeinflusst wird.rn

Structural characterization of intermediate and metastable phases by electron microscopy

Structure characterization of nanocrystalline intermediates and metastable phases is of primary importance for a deep understanding of synthetic processes undergoing solid-to-solid state phase transitions. Understanding the evolution from the first nucleation stage to the final synthetic product supports not only the optimization of existing processes, but might assist in tailoring new synthetic paths. A systematic investigation of intermediates and metastable phases is hampered because it is impossible to produce large crystals and only in few cases a pure synthetic product can be obtained. Structure investigation by X-ray powder diffraction methods is still challenging on nanoscale, especially when the sample is polyphasic. Electron diffraction has the advantage to collect data from single nanoscopic crystals, but is limited by data incompleteness, dynamical effects and fast deterioration of the sample under the electron beam. Automated diffraction tomography (ADT), a recently developed technique, making possible to collect more complete three-dimensional electron diffraction data and to reduce at the same time dynamical scattering and beam damage, thus allowing to investigate even beam sensitive materials (f.e. hydrated phases and organics). At present, ADT is the only technique able to deliver complete three-dimensional structural information from single nanoscopic grains, independently from other surrounding phases. Thus, ADT is an ideal technique for the study of on-going processes where different phases exist at the same time and undergo several structural transitions. In this study ADT was used as the main technique for structural characterization for three different systems and combined subsequently with other techniques, among which high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), cryo-TEM imaging, X-ray powder diffraction (XRPD) and energy disperse X-ray spectroscopy (EDX).rnAs possible laser host materials, i.e. materials with a broad band emission in the near-infrared region, two unknown phases were investigated in the ternary oxide system M2O-Al2O3-WO3 (M = K, Na). Both phases exhibit low purity as well as non-homogeneous size distribution and particle morphology. The structures solved by ADT are also affected by pseudo-symmetry. rnSodium titanate nanotubes and nanowires are both intermediate products in the synthesis of TiO2 nanorods which are used as additives to colloidal TiO2 film for improving efficiency of dye-sensitized solar cells (DSSC). The structural transition from nantubes to nanowires was investigated in a step by step time-resolved study. Nanowires were discovered to consist of a hitherto unknown phase of sodium titanate. This new phase, typically affected by pervasive defects like mutual layer shift, was structurally determined ab-initio on the basis of ADT data. rnThe third system is related with calcium carbonate nucleation and early crystallization. The first part of this study is dedicated to the extensive investigations of calcium carbonate formation in a step by step analysis, up to the appearance of crystalline individua. The second part is dedicated to the structure determination by ADT of the first-to-form anhydrated phase of CaCO3: vaterite. An exhaustive structure analysis of vaterite had previously been hampered by diffuse scattering, extra periodicities and fast deterioration of the material under electron irradiation. rn

Conical crowns with electroplated gold copings: retention force changes caused by wear and combined off-axial load

The aim of this study was to examine the wear behavior of conical crowns of gold alloy and zirconium dioxide ceramics facing electroplated gold copings.

Changes in retention force with electroplated copings on conical crowns: a comparison of gold and zirconia primary crowns

The aim of this study was to examine the wear behavior of conical crowns with electroplated gold copings that are used to connect implants and teeth to a removable denture. Gold alloy and zirconium dioxide ceramic crowns were compared.

Osseointegration and biocompatibility of different metal implants-a comparative experimental investigation in sheep

Background In the present study, 4 different metallic implant materials, either partly coated or polished, were tested for their osseointegration and biocompatibility in a pelvic implantation model in sheep. Methods Materials to be evaluated were: Cobalt-Chrome (CC), Cobalt-Chrome/Titanium coating (CCTC), Cobalt-Chrome/Zirconium/Titanium coating (CCZTC), Pure Titanium Standard (PTST), Steel, TAN Standard (TANST) and TAN new finish (TANNEW). Surgery was performed on 7 sheep, with 18 implants per sheep, for a total of 63 implants. After 8 weeks, the specimens were harvested and evaluated macroscopically, radiologically, biomechanically (removal torque), histomorphometrically and histologically. Results Cobalt-Chrome screws showed significantly (p = 0.031) lower removal torque values than pure titanium screws and also a tendency towards lower values compared to the other materials, except for steel. Steel screws showed no significant differences, in comparison to cobalt-chrome and TANST, however also a trend towards lower torque values than the remaining materials. The results of the fluorescence sections agreed with those of the biomechanical test. Histomorphometrically, there were no significant differences of bone area between the groups. The BIC (bone-to-implant-contact), used for the assessment of the osseointegration, was significantly lower for cobalt-chrome, compared to steel (p = 0.001). Steel again showed a lower ratio (p = 0.0001) compared to the other materials. Conclusion This study demonstrated that cobalt-chrome and steel show less osseointegration than the other metals and metal-alloys. However, osseointegration of cobalt-chrome was improved by zirconium and/or titanium based coatings (CCTC, TANST, TAN, TANNEW) being similar as pure titanium in their osseointegrative behavior.

Modulation of human osteoblasts by metal surface chemistry

The use of metal implants in dental and orthopedic surgery is continuously expanding and highly successful. While today longevity and load-bearing capacity of the implants fulfill the expectations of the patients, acceleration of osseointegration would be of particular benefit to shorten the period of convalescence. To further clarify the options to accelerate the kinetics of osseointegration, within this study, the osteogenic properties of structurally identical surfaces with different metal coatings were investigated. To assess the development and function of primary human osteoblasts on metal surfaces, cell viability, differentiation, and gene expression were determined. Titanium surfaces were used as positive, and surfaces coated with gold were used as negative controls. Little differences in the cellular parameters tested for were found when the cells were grown on titanium discs sputter coated with titanium, zirconium, niobium, tantalum, gold, and chromium. Cell number, activity of cell layer-associated alkaline phosphatase (ALP), and levels of transcripts encoding COL1A1 and BGLAP did not vary significantly in dependence of the surface chemistry. Treatment of the cell cultures with 1,25(OH)2 D3 /Dex, however, significantly increased ALP activity and BGLAP messenger RNA levels. The data demonstrate that the metal layer coated onto the titanium discs exerted little modulatory effects on cell behavior. It is suggested that the microenvironment regulated by the peri-implant tissues is more effective in regulating the tissue response than is the material of the implant itself.

Development of Solid Oxide Fuel Cell Electrodes with High Conductivity and Enhanced Redox Stability

The intent of this study was the development of new ceramic SOFC anode materials which possess electrical conductivity as well as redox stability.

Synthesis of PDMS-metal oxide hybrid nanocomposites using an in situ sol-gel route

Organic-inorganic hybrid nanocomposites are widely studied and applied in broad areas because of their ability to combine the flexibility, low density of the organic materials with the hardness, strength, thermal stability, good optical and electronic properties of the inorganic materials. Polydimethylsiloxane (PDMS) due to its excellent elasticity, transparency, and biocompatibility has been extensively employed as the organic host matrix for nanocomposites. For the inorganic component, titanium dioxide and barium titanate are broadly explored as they possess outstanding physical, optical and electronic properties. In our experiment, PDMS-TiO2 and PDMS-BaTiO3 hybrid nanocomposites were fabricated based on in-situ sol-gel technique. By changing the amount of metal precursors, transparent and homogeneous PDMS-TiO2 and PDMS-BaTiO3 hybrid films with various compositions were obtained. Two structural models of these two types of hybrids were stated and verified by the results of characterization. The structures of the hybrid films were examined by a conjunction of FTIR and FTRaman. The morphologies of the cross-sectional areas of the films were characterized by FESEM. An Ellipsometer and an automatic capacitance meter were utilized to evaluate the refractive index and dielectric constant of these composites respectively. A simultaneous DSC/TGA instrument was applied to measure the thermal properties. For PDMS-TiO2 hybrids, the higher the ratio of titanium precursor added, the higher the refractive index and the dielectric constant of the composites are. The highest values achieved of refractive index and dielectric constant were 1.74 and 15.5 respectively for sample PDMS-TiO2 (1-6). However, when the ratio of titanium precursor to PDMS was as high as 20 to 1, phase separation occurred as evidenced by SEM images, refractive index and dielectric constant decreased. For PDMS-BaTiO3 hybrids, with the increase of barium and titanium precursors in the system, the refractive index and dielectric constant of the composites increased. The highest value was attained in sample PDMS-BaTiO3 (1-6) with a refractive index of 1.6 and a dielectric constant of 12.2. However, phase separation appeared in SEM images for sample PDMS-BaTiO3 (1-8), the refractive index and dielectric constant reduced to lower values. Different compositions of PDMS-TiO2 and PDMS-BaTiO3 hybrid films were annealed at 60 °C and 100 °C, the influences on the refractive index, dielectric constant, and thermal properties were investigated.

PMMA-CNT matrices for vacuum electronic, biosensing and energy applications

Carbon nanotubes (CNTs) are interesting materials with extraordinary properties for various applications. Here, vertically-aligned multiwalled CNTs (VA-MWCNTs) are grown by our dual radio frequency plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). After optimizing the synthesis processes, these VA-MWCNTs were fabricated in to a series of devices for applications in vacuum electronics, glucose biosensors, glucose biofuel cells, and supercapacitors In particular, we have created the so-called PMMA-CNT matrices (opened-tip CNTs embedded in poly-methyl methacrylate) that are promising components in a novel energy sensing, generation and storage (SGS) system that integrate glucose biosensors, biofuel cells, and supercapacitors. The content of this thesis work is described as follows: 1. We have first optimized the synthesis of VA-MWCNTs by our PECVD technique. The effects of CH4 flow rate and growth duration on the lengths of these CNTs were studied. 2. We have characterized these VA-MWCNTs for electron field emission. We noticed that as grown CNTs suffers from high emission threshold, poor emission density and poor long-term stability. We attempted a series of experiments to understand ways to overcome these problems. First, we decrease the screening effects on VA-MWCNTs by creating arrays of self-assembled CNT bundles that are catalyst-free and opened tips. These bundles are found to enhance the field emission stability and emission density. Subsequently, we have created PMMA-CNT matrices that are excellent electron field emitters with an emission threshold field of more than two-fold lower than that of the as-grown sample. Furthermore, no significant emission degradation was observed after a continuous emission test of 40 hours (versus much shorter tests in reported literatures). Based on the new understanding we learnt from the PMMA-CNT matrices, we further created PMMA-STO-CNT matrices by embedding opened-tip VA-MWCNTs that are coated with strontium titanate (SrTiO3) with PMMA. We found that the PMMA-STO-CNT matrices have all the desired properties of the PMMA-CNT matrices. Furthermore, PMMA-STO-CNT matrices offer much lower emission threshold field, about five-fold lower than that of as grown VA-MWCNTs. The new understandings we obtained are important for practical application of VA-MWCNTs in field emission devices. 3. Subsequently, we have functionalized PMMA-CNT matrices for glucose biosensing. Our biosensor was developed by immobilized glucose oxidase (GOχ) on the opened-tip CNTs exposed on the matrices. The durability, stability and sensitivity of the biosensor were studied. In order to understand the performance of miniaturized glucose biosensors, we have then investigated the effect of working electrode area on the sensitivity and current level of our biosensors. 4. Next, functionalized PMMA-CNT matrices were utilized for energy generation and storage. We found that PMMA-CNT matrices are promising component in glucose/O2 biofuel cells (BFCs) for energy generation. The construction of these BFCs and the effect of the electrode area on the power density of these BFCs were investigated. Then, we have attempted to use PMMA-CNT matrices as supercapacitors for energy storage devices. The performance of these supercapacitors and ways to enhance their performance are discussed. 5. Finally, we further evaluated the concept of energy SGS system that integrated glucose biosensors, biofuel cells, and supercapacitors. This SGS system may be implantable to monitor and control the blood glucose level in our body.