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Rare chiralities of single-walled carbon nanotubes
extraction via gel-chromatography and optical properties
Joselyn Synei Benalcázar Jaramillo
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Physik
Betreuer*in
Paola Ayala
DOI
10.25365/thesis.79191
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-21124.67675.632072-6
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) zeigen bemerkenswerte elektronische und optische Eigenschaften aufgrund ihrer einzigartigen hohlen zylindrischen Struktur, was sie zu vielversprechenden Kandidaten für verschiedene Anwendungen macht. Ihre geometrische Struktur bestimmt die elektronische Bandkonfiguration und erzeugt unterschiedliche optische Übergangsenergieen selbst zwischen Nanoröhren ähnlicher Durchmesser. Zahlreiche Anstrengungen wurden unternommen, um einzelne Chiralitäten aus den heterogenen synthetisierten Materialien zu isolieren und zu extrahieren sowie ihre intrinsischen optischen Eigenschaften experimentell zu beobachten, da die Anwesenheit mehrerer Spezies in einer Suspension spektrale Überlappung und Fluoreszenzlöschung in der optischen Antwort verursacht. Trotz der enormen Fortschritte in Sortierverfahren bleiben Limitierungen wie Selektivität, Reinheit und Extraktionsbreite weiterhin zu lösende Probleme, welche üblicherweise die Kosten und Effizienz des Trennprozesses beeinträchtigen. Die ersten Kapitel der Dissertation konzentrieren sich auf den Aufbau des Hintergrunds bezüglich SWCNTs und bieten einen breiten Überblick über die potenziellen Durchbrüche in der Nanotechnologie unter Verwendung von SWCNTs und anderen kohlenstoffbasierten Nanomaterialien. Fundamentale Aspekte sowie ihr potenzieller Einfluss auf die Industrie werden diskutiert. Besonderer Schwerpunkt wurde auf den aktuellen Stand der Nanotube Synthese gelegt, wobei die Fortschritte in der Kontrolle der Durchmesserverteilung und -größe hervorgehoben werden. Die am besten entwickelten Methodologien für die Trennung von Nanoröhren nach ihrem metallischen Charakter und nach ihrer Chiralität, einschließlich der Unterscheidung nach Händigkeit, werden ausführlich dargestellt. Die optischen Spektroskopieverfahren, die am besten für das Studium von SWCNTs und durchmesserabhängigen spektralen Fingerabdrücken geeignet sind, schließen diese Kapitel ab. Ab Kapitel 4 konzentriere ich mich auf die spezifischen Verfahren, die während dieser Doktorarbeit verwendet wurden, und die erzielten Ergebnisse. Eine Erklärung der automatisierten Methode, die für die Sortierung von Spezies mit niedrigem Chiralwinkel und ähnlichen Durchmessern vorgeschlagen wurde, wird vorgestellt. Die Effektivität des Sortierverfahrens hinsichtlich Reinheit und Extraktionsbreite im Vergleich zur berichteten Literatur wird ausführlich diskutiert. Ein durchmesserabhängiger Einfluss auf die optischen spektralen Fingerabdrücke wurde mittels Resonanz-Raman-Spektroskopie beobachtet. Ein wichtiger Schwerpunkt dieser Arbeit war die Suche nach Enantiomerenpaaren mit niedrigem Chiral winkel durch Einzelgelsäulenadsorption. Die extrahierten einzelnen Chiralitäten wurden mittels Circulardichroismus zusätzlich zu den anderen oben erwähnten optischen Spektroskopieverfahren untersucht. Darüber hinaus wird die Verwendung von Tensiden in den Verarbeitungsverfahren und ihr Einfluss auf die lokalen dielektrischen Umgebungen aufgezeigt und analysiert. Abschließend stelle ich einen Ansatz zur Reinigung der aus den Sortierverfahren stammenden Tensid- und Gelrückstände vor, mit dem Ziel, die intrinsischen optischen Eigenschaften der Nanoröhren wiederherzustellen. Zusätzlich wurden sortierte Nanoröhren in einer Silicamatrix immobilisiert für die Analyse verschiedener lokaler dielektrischer Umgebungen und ihrer Auswirkungen auf die optischen Eigenschaften von Nanoröhren. Diese Forschung trägt sowohl zu einem fundamentalen Verständnis der SWCNTEigenschaften als auch zu Anwendbarkeitsherausforderungen bei, indem sie eine großskalige Produktion reiner Nanoröhren einzelner Chiralität ermöglicht und sekundäre Effekte nach der Probenbehandlung untersucht sowie Alternativen zur Erhaltung ihrer intrinsischen Eigenschaften vorschlägt.
Abstract
(Englisch)
Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) exhibit remarkable electronic and optical properties due to their unique hollow cylindrical structure, making them promising candidates for various applications. Their geometric structure determines the electronic band configuration, creating diverse optical transition energies even among similar-diameter nanotubes. Many efforts have been made to isolate and extract individual chiralities from the heterogeneous as-synthesized materials, and to experimentally observe their intrinsic optical properties, considering that the presence of multiple species in a suspension causes spectral overlap and fluorescence quenching in the optical response. Despite the tremendous advances in sorting methods, limitations such as selectivity, purity, and diversity extraction are still problems to solve, which usually compromise the cost and efficiency of the separation process. The first chapters of the thesis focus on building up the background related to SWCNTs and provide a broad overview of the potential breakthroughs in nanotechnology using SWCNTs and other carbon-based nanomaterials. Fundamental aspects, as well as their potential impact on industry, are discussed. Emphasis has been given to the current state of nanotube synthesis, remarking on the advances in controlling the diameter distribution and size. The best-developed methodologies applied for the separation of nanotubes by their metallic character and by their chirality, including the distinction by handedness, are thoroughly presented. The optical spectroscopy techniques best suited to study SWCNTs and diameter-dependent signatures close these chapters. From chapter 4, I focus on the specific procedures used during this PhD work and the results obtained. An explanation of the automated method proposed for the sorting of low chiral angle species with similar diameters is provided. The effectiveness of the sorting method in terms of purity and diversity extraction compared with reported literature is well discussed. A diameter-dependent influence on the optical signatures was observed through resonance Raman spectroscopy. An important focus of this work has been the search for low chiral angle enantiomer pairs through single gel column adsorption. The single chiralities extracted were inspected by circular dichroism, in addition to the other optical spectroscopy techniques mentioned above. Furthermore, the use of surfactants in the processing methods and their influence on the local dielectric environments is revealed and analyzed. Finally, I provide an approach for cleaning the surfactant and gel residues arising from the sorting processes, aiming to recover the nanotubes’ intrinsic optical properties. Additionally, sorted nanotubes were immobilized in a silica matrix for the analysis of different local dielectric environments and their effects on the optical properties of nanotubes. This research contributes to both a fundamental understanding of SWCNT properties and applicability challenges by enabling large-scale production of pure single-chirality nanotubes and by studying secondary effects after sample treatment, as well as proposing alternatives to maintain their intrinsic properties.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Kohlenstoffnanoröhren Sortierung optische Eigenschaften
Schlagwörter
(Englisch)
carbon nanotubes sorting optical properties
Autor*innen
Joselyn Synei Benalcázar Jaramillo 
Haupttitel (Englisch)
Rare chiralities of single-walled carbon nanotubes
Hauptuntertitel (Englisch)
extraction via gel-chromatography and optical properties
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
xvi, 105 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Vojitech Kundrat ,
Wolfgang Maser
Klassifikationen
33 Physik > 33.05 Experimentalphysik ,
33 Physik > 33.07 Spektroskopie
AC Nummer
AC17633909
Utheses ID
77339
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |