Development of ductile cementitiuos composites using carbon nanotubes

Concrete is the primary construction material for civil infrastructures and generally consists of cement, coarse aggregates, sand, admixtures and water. Cementitious materials are characterized by quasi-brittle behaviour and susceptible to cracking [1]. The cracking process within concrete begins with isolated nano-cracks, which then conjoin to form micro-cracks and in turn macro-cracks. Formation and growth of cracks lead to loss of mechanical performance with time and also make concrete accessible to water and other degrading agents such as CO2, chlorides, sulfates, etc. leading to strength loss and corrosion of steel rebars. To improve brittleness of concrete, reinforcements such as polymeric as well as glass and carbon fibers have been used and microfibers improved the mechanical properties significantly by delaying (but could not stop) the transformation of micro-cracks into macro forms [2]. This fact encouraged the use of nano-sized fillers in concrete to prevent the growth of nano-cracks transforming in to micro and macro forms. Nanoparticles like SiO2, Fe2O3, and TiO2 led to considerable improvement in mechanical performance and moreover, nano-TiO2 helped to remove organic pollutants from concrete surfaces [3].

Why are slip lengths so large in carbon nanotubes?

The enhanced flow in carbon nanotubes is explained using a mathematical model that includes a depletion layer with reduced viscosity near the wall. In the limit of large tubes the model predicts no noticeable enhancement. For smaller tubes the model predicts enhancement that increases as the radius decreases. An analogy between the reduced viscosity and slip-length models shows that the term slip-length is misleading and that on surfaces which are smooth at the nanoscale it may be thought of as a length-scale associated with the size of the depletion region and viscosity ratio. The model therefore provides a physical interpretation of the classical Navier slip condition and explains why `slip-lengths' may be greater than the tube radius.

Adverse effects of industrial multiwalled carbon nanotubes on human pulmonary cells

The aim of this study was to evaluate adverse effects of multiwalled carbon nanotubes (MWCNT), produced for industrial purposes, on the human epithelial cell line A549. MWCNT were dispersed in dipalmitoyl lecithin (DPL), a component of pulmonary surfactant, and the effects of dispersion in DPL were compared to those in two other media: ethanol (EtOH) and phosphate-buffered saline (PBS). Effects of MWCNT were also compared to those of two asbestos fibers (chrysotile and crocidolite) and carbon black (CB) nanoparticles, not only in A549 cells but also in mesothelial cells (MeT5A human cell line), used as an asbestos-sensitive cell type. MWCNT formed agglomerates on top of both cell lines (surface area 15-35 μm2) that were significantly larger and more numerous in PBS than in EtOH and DPL. Whatever the dispersion media, incubation with 100 μg/ml MWCNT induced a similar decrease in metabolic activity without changing cell membrane permeability or apoptosis. Neither MWCNT cellular internalization nor oxidative stress was observed. In contrast, asbestos fibers penetrated into the cells, decreased metabolic activity but not cell membrane permeability, and increased apoptosis, without decreasing cell number. CB was internalized without any adverse effects. In conclusion, this study demonstrates that MWCNT produced for industrial purposes exert adverse effects without being internalized by human epithelial and mesothelial pulmonary cell lines. [Authors]

Evaluation of the interactions between multiwalled carbon nanotubes and caco-2 cells

The aim of this study was to determine whether multiwalled carbon nanotubes (MWNCT) are taken up by and are toxic to human intestinal enterocytes using the Caco-2 cell model. Caco-2 cells were exposed to 50 ?g/ml MWCNT (oxidized or pristine) for 24 h, and experiments were repeated in the presence of 2.5 mg/L natural organic matter. Cells displayed many of the properties that characterize enterocytes, such as apical microvilli, basolateral basement membrane, and glycogen. The cell monolayers also displayed tight junctions and electrical resistance. Exposure to pristine and oxidized MWCNT, with or without natural organic matter, did not markedly affect viability, which was assessed by measuring activity of released lactate dehydrogenase (LDH) and staining with propidium iodide. Ultrastructural analysis revealed some damage to microvilli colocalized with the MWCNT; however, neither type of MWCNT was taken up by Caco-2 cells. In contrast, pristine and oxidized MWCNT were taken up by the macrophage RAW 264.7 line. Our study suggests that intestinal enterocytes cells do not take up MWCNT. [Authors]

Effects of polymer-coated multi-wall carbon nanotubes on mouse RAW 264.7 macrophages

Surface characteristics (area, chemical reactivity) play an important role in cell response to nanomaterials. The aim of this study was to evaluate the oxidative and inflammatory effects of multi−wall carbon nanotubes (MWCNT) uncoated (P0) or coated with carboxylic polyacid or polystyrene polybutadiene polymetacrylate of methyl polymers (P1 and P2 respectively) on murine macrophages (RAW 264.7 cell line). Carbon black nanoparticles (CB, diameter 95 nm) and crocidolite fibers (diameter: 80 nm, length: < 10 μm) were used as controls. Surface functional groups present on MWCNTs were analyzed by Knudsen flow reactor. The amount of acidic sites was P1> P0> P2, for basic sites was P0> P1>> P2 and for oxidizable sites was P0> P2> P1. In contact with cells, P2 formed smaller aggregates than P0 and P1, which were of similar size. Optical microscopy showed the formation of vacuoles after exposure only to P0, P1 and crocidolite. Incubation of cells with P0, P1 and crocidolite fibers induced a significant and similar decrease in metabolic activity, whereas P2 and CB had no effect. Cell number and membrane permeability were unmodified by incubation with the different particles. Incubation of macrophages with P0, P1 and crocidolite induced a dose− and time−dependent increase in mRNA expression of oxidative stress marker (HO−1, GPX1) and inflammatory mediators (TNF−a, MIP−2). No such responses were observed with P2 and CB. In conclusion, MWCNT coated with a carboxylic polyacid polymer exerted similar oxidative and inflammatory effects to uncoated MWCNT. By contrast, no such effects were observed with MWCNT coated with a polystyrene−based polymer. This kind of coating could be useful to decrease MWCNT toxicity.

Growth and functionalization of carbon nanotubes on quartz filter for environmental applications

Background: Air pollution has become an important issue worldwide due to its adverse health effects. Among the different air contaminants, volatile organic compounds (VOCs) are liquids or solids with a high vapor pressure at room temperature that are extremely dangerous for human health. Removal of these compounds can be achieved using nanomaterials with tailored properties such as carbon nanotubes. Methods: Vertically-aligned multiwall carbon nanotubes (CNTs) were successfully grown on quartz filters by means of plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). Furthermore, a plasma treatment was performed in order to modify the surface properties of the CNTs. The adsorption/desorption processes of three chlorinated compounds (trichloroethylene, 1,2-dichlorobenzene and chloroform) on the CNTs were studied using mass spectrometry measurements with a residual gas analyzer. Results: The adsorption capability of the CNTs increased after functionalization of their surface with a water plasma treatment. In addition, it was found that the presence of aromatic rings, water solubility and polarity of the VOCs play an important role on the adsorption/desorption kinetics at the CNTs surface. Conclusions: This study demonstrates the applicability of CNTs deposited on quartz filters for the removal or selective detection of volatile organic compounds (VOCs). The presence of aromatic rings in VOCs results in π -stacking interactions with a significant increase of their adsorption. On the other hand, it was found that CNTs surface interactions increase with water solubility and polarity of the VOC.

Carbon Nanotubes as Material for Supercapacitor Electrodes

Electrochemical double-layer supercapacitors have an intermediate position between rechargeable batteries, which can store high amounts of energy, and dielectric capacitors, which have high output power. Supercapacitors are widely suggested to be used in automobiles (recuperation during braking, facilitate engine starting, electric stabilization of the system), industry (forklifts, elevators), hybrid off-road machinery and also in consumer electronics. Supercapacitor electrodes require highly porous material. Typically, activated carbon is used. Specific surface area of activated carbon is approximately 1000 m2 per gram. Carbon nanotubes represent one of prospective materials. According to numerous studies this material allows to improve the properties of supercapacitors. The task of this Master‘s Thesis was to test multiwalled carbon nanotubes and become confident with the testing methods.

Application of Carbon Nanotubes in Rotating Electrical Machines

Demand for increased energy efficiency has put an immense need for novel energy efficient systems. Electrical machines are considered as a much matured technology. Further improvement in this technology needs of finding new material to incorporate in electrical machines. Progress of carbon nanotubes research over the latest decade can open a new horizon in this aspect. Commonly known as ‘magic material’, carbon nanotubes (CNTs) have promising material properties that can change considerably the course of electrical machine design. It is believed that winding material based on carbon nanotubes create the biggest hope for a giant leap of modern technology and energy efficient systems. Though carbon nanotubes (CNTs) have shown amazing properties theoretically and practically during the latest 20 years, to the best knowledge of the author, no research has been carried out to find the future possibilities of utilizing carbon nanotubes as conductors in rotating electrical machines. In this thesis, the possibilities of utilizing carbon nanotubes in electrical machines have been studied. The design changes of electrical machine upon using carbon nanotubes instead of copper have been discussed vividly. A roadmap for this carbon nanotube winding machine has been discussed from synthesis, manufacturing and operational points of view.

Magnetization studies of polystyrene/multiwall carbon nanotube composite films

Lappeenranta University of Technology School of Technology Technical Physics Evgenii Zhukov MAGNETIZATION STUDIES OF POLYSTYRENE/MULTIWALL CARBON NANOTUBE COMPOSITE FILMS Master’s thesis 2015 55 pages, 41 pictures, 9 Tables. Examiners: Professor Erkki Lähderanta D.Sc. Ivan Zakharchuk Keywords: polystyrene, multi-walled carbon nanotubes, MWCNT, composite, magnetization, SQUID. In this thesis magnetic properties of polystyrene/multiwall carbon nanotube (MWCNT) composites are investigated with Quantum Design SQUID magnetometer (MPMS XL). The surface of the composite films is studied via BRUKER Multimode 8 Atomic Force Microscope, as well. The polystyrene/MWCNT composites have been prepared by the group of professor Okotrub (Physics Chemistry of Nanomaterials laboratory, Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry, Russia). The composite films have been prepared by solution processing and stretching method. The approximate length and inner diameter of the MWCNTs used in fabrication are 260 μm and 10 nm, respectively. The content of MWCNTs is 1 and 2.5 contents percent (wt%) for studied samples. The stretching of the samples is 30% for samples with 1 and 2.5 wt% content, and one sample with 1 wt% loading of MWCNTs is 100% stretched. MWCNTs aligned perpendicular to a silicon substrate are used as a reference sample. The magnetization field dependencies of the samples exhibit hysteresis behavior. The values of saturation magnetization of composite films are much less compared to that of the reference sample. The saturation magnetization coercitivity field value drops with decrease of MWCNT content. At high magnetic fields strong presence of diamagnetism is observed. Measurements in magnetic field parallel and perpendicular to the composite plate display anisotropy with respect to the direction of stretching. Temperature dependences of magnetization for all samples display difference between zero-field cooled and field-cooled curves of magnetization. This divergence confirms the presence of magnetic interactions in the material. The atomic force microscopy study of the composites’ surfaces revealed that they are relatively smooth and the nanotubes are aligned with the axis of stretching to some extent. 

Evaluation of cardiovascular toxicity of carbon nanotubes functionalized with sodium hyaluronate in oral regenerative medicine

It has been demonstrated that carbon nanotubes (CNTs) associated with sodium hyaluronate (HY-CNTs) accelerate bone repair in the tooth sockets of rats. Before clinical application of HY-CNTs, it is important to assess their biocompatibility. Moreover, cardiac toxicity may be caused by the translocation of these particles to the blood stream. The aim of this study was to evaluate possible changes in cardiovascular function in male Wistar rats whose tooth sockets were treated with either CNTs or HY-CNTs (100 μg/mL, 0.1 mL). Blood pressure and heart rate were monitored in conscious rats 7 days after treatment. Cardiac function was evaluated using the Langendorff perfusion technique. The data showed no changes in blood pressure or heart rate in rats treated with either CNTs or HY-CNTs, and no significant changes in cardiac function were found in any of the groups. To confirm these findings, experiments were conducted in rats injected intraperitoneally with a high concentration of either CNTs or HY-CNTs (0.75 mg/kg). The same parameters were analyzed and similar results were observed. The results obtained 7 days following injection indicate that the administration of low concentrations of CNTs or HY-CNTs directly into tooth sockets did not cause any significant change in cardiovascular function in the rats. The present findings support the possibility of using these biocomposites in humans.

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.

Cage de résonance à base de films minces transparents et conducteurs de nanotubes de carbone

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

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.