Υποστήριξη Διδακτορικής Διατριβής - Στέφανος Μάτσαλης

Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα του 21^ου αιώνα είναι η προστασία και η διατήρηση ενός υγειούς περιβάλλοντος. Λόγω της αυξημένης βιομηχανικής παραγωγής διάφοροι αέριοι ρύποι, που αποτελούν κυρίως παραπροϊόντα της βασικής παραγωγικής διαδικασίας, απελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα ρυπαίνοντας και προκαλώντας υποβάθμιση του περιβάλλοντος. Παράλληλα, οι αυξημένες συγκεντρώσεις αέριων ρύπων έχουν την δυνατότητα να βλάψουν την ανθρώπινη υγεία και ευθύνονται για εκατομμύρια θανάτους ετησίως. Συνεπώς, υπάρχει επιτακτική ανάγκη για αισθητήρες ικανούς να ανιχνεύσουν τα διάφορα αέρια και την υγρασία με υψηλή ακρίβεια, εξαιρετική ευαισθησία και ταχείς χρόνους απόκρισης και επαναφοράς.

            Βασικός στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη και η χημική τροποποίηση διαφόρων διδιάστατων υλικών με σκοπό την ενίσχυση των ικανοτήτων τους στην ανίχνευσης τόσο της υγρασίας όσο και άλλων αερίων. Έπειτα από την απομόνωση του γραφενίου το 2004, μια καινούργια κατηγορία υλικών αναδύθηκε, τα διδιάστατα, με χαρακτηριστικό πάχος που φτάνει έως τα μερικά νανόμετρα. Αυτή η δομή τους προσφέρει εξαιρετικές ηλεκτροχημικές και μηχανικές ιδιότητες, όπως ο υψηλός λόγος της επιφάνειας προς τον όγκο του υλικού και η δυνατότητα χημικής τροποποίησής τους, ιδανικές για την χρήση ως αισθητήρες. Η τελευταία επιτυγχάνεται με την εισαγωγή νέων μορίων στο πλέγμα αυτών των υλικών, την απομάκρυνση μορίων που ήδη υπάρχουν ή πιο απλά την δημιουργία κάποιων δομικών ατελειών.

            Αρχικά, στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής, παρήχθησαν πρωτότυπα τρισδιάστατα εκτυπωμένα ηλεκτρόδια (3D printing) μέσω της τεχνικής τηγμένης εναπόθεσης (Fused Deposition Modeling - FDM). Για αυτόν τον λόγο, κατασκευάστηκαν ηλεκτρικά αγώγιμα νήματα νανοσύνθετων υλικών αποτελούμενα από το πολυμερές πολυγαλακτικό οξύ (PLA) ενισχυμένο με το νανοέγκλεισμα νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων (MWCNTs). Η αρχική ανάμιξη των υλικών έγινε μέσω της ανάμιξης τήγματος ακολουθούμενη από την εξώθηση μονού κοχλία για την δημιουργία του σύνθετου ηλεκτρικά αγώγιμου νήματος. Έπειτα, το νήμα εισήχθη στον FDM 3D printer και τα αλληλοδιαπλεκόμενα ηλεκτρόδια εκτυπώθηκαν επί ενός υποστρώματος καθαρού PLA. Τα ηλεκτρόδια χαρακτηρίστηκαν πλήρως τόσο για τον προσδιορισμό των φυσικών ιδιοτήτων και της ηλεκτρικής αγωγιμότητας, όσο και για άλλες κρίσιμες παραμέτρους όπως η ευκαμψία και η μηχανική τους αντοχή.

            Πέραν των ηλεκτροδίων, στα πλαίσια της διατριβής έγινε σύνθεση και χημική τροποποίηση διαφόρων διδιάστατων υλικών με στόχο να μελετηθεί η συμπεριφορά τους ως υλικά ανίχνευσης υγρασίας και διαφόρων αερίων. Αρχικά, παρήχθη οξείδιο του γραφενίου (graphene oxide - GO) ακολουθώντας μια τεχνική από πάνω προς τα κάτω, την τροποποιημένη μέθοδο Hummer. Σύμφωνα με αυτήν, φύλλα γραφίτη υποβλήθηκαν σε αντίδραση δύο βημάτων, με στόχο την αποφλοίωσή τους και την προσθήκη λειτουργικών ομάδων οξυγόνου. Έπειτα, το GO χαρακτηρίστηκε εκτενώς φυσικοχημικά για τον προσδιορισμό της δομής του και των ιδιοτήτων του. Εν συνεχεία, έγινε επίστρωση του GO στα τρισδιάστατα εκτυπωμένα ηλεκτρόδια και αποδείχθηκε ότι διαθέτει εξαιρετική ευαισθησία στις αλλαγές της σχετικής υγρασίας, ωστόσο σε μακροχρόνιες μετρήσεις παρουσιάζει αστάθεια. Συνεπώς, για την ενίσχυση της σταθερότητας του υλικού, το πολυμερές πολυβινυλική αλκοόλη (Polyvinil Alcohol – PVA) χρησιμοποιήθηκε ως ενδιάμεσο στρώμα μεταξύ των ηλεκτροδίων και του GO. Επιπλέον, μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας στις μετρήσεις υγρασίας του αισθητήρα GO/ PVA, και αναπτύχθηκε ένα μαθηματικό μοντέλο ικανό να παρέχει σε πραγματικό χρόνο μετρήσεις σχετικής υγρασίας συναρτήσει της ηλεκτρικής χωρητικότητας και της θερμοκρασίας. Παράλληλα, ο αισθητήρας τοποθετήθηκε στο άκρο φτερού ελικοπτέρου, με σκοπό την μέτρηση της σχετικής υγρασίας σε ακραία καιρικά φαινόμενα που προσομοιάζουν συνθήκες πτήσης, όπως υψηλή υγρασία, χαμηλή θερμοκρασία και παρουσία πάγου. Ο αισθητήρας επέδειξε υψηλή σταθερότητα ανιχνεύοντας με ακρίβεια την σχετική υγρασία χωρίς να επηρεάζεται από τις αντίξοες συνθήκες. Στην συνέχεια, εξετάστηκε πιθανή επίδραση της μηχανικής παραμόρφωσης στον εύκαμπτο αισθητήρα, και βρέθηκε ότι είναι ικανός να ανιχνεύει την παραμόρφωση, χωρίς να επηρεάζεται η μέτρηση υγρασίας, προσδίδοντας πολυλειτουργικές δυνατότητες. Τέλος, το GO χρησιμοποιήθηκε ως αισθητήρας για ανίχνευση αερίων συμπεριλαμβανομένου αμμωνίας και φορμαλδεΰδης.

Έπειτα, έλαβε χώρα η σύνθεση μιας διαφορετικής κατηγορίας διδιάστατων υλικών, τα υδροξύλια διπλής στοιβάδας, και ελέγχθηκε η ικανότητα ανίχνευσης υγρασίας και αερίων. Συγκεκριμένα, διαφορετικά υδροξύλια διπλής στιβάδας παρήχθησαν με βάση τα μέταλλα Mg και Al αξιοποιώντας την μέθοδο συγκαταβύθισης συνδυασμένης με ένα βήμα γήρανσης και προστέθηκαν στον διαστρωματικό χώρο ιόντα CO₃^2- και GO. Τα τελικά υλικά χαρακτηρίστηκαν εκτενώς και βρέθηκε πως διαθέτουν αυξημένη συγκέντρωση λειτουργικών ομάδων οξυγόνου, προσδίδοντας εξαίρετη ευαισθησία στην μέτρηση της υγρασίας. Παράλληλα, προσδιορίστηκε η επιρροή του πάχους επίστρωσης στην ανίχνευση της υγρασίας και με την συμβολή της φασματοσκοπίας εμπέδησης παρατηρήθηκε ο μηχανισμός προσρόφησης και απορρόφησης μορίων νερού. Επιπλέον, παρατηρήθηκε η ικανότητα ανίχνευσης αερίων όπως η φορμαλδεΰδη και η αμμωνία.

Το τελευταίο νανοΰλικό που χρησιμοποιήθηκε και τροποποιήθηκε χημικώς είναι το εξαγωνικό νιτρίδιο του βορίου (hexagonal Boron Nitride – hBN). Ύστερα από μια ισχυρή διαδικασία οξείδωσης, που είχε ως αποτέλεσμα την προσθήκη υψηλού ποσοστού λειτουργικών ομάδων οξυγόνου στο πλέγμα του, το οξειδωμένο πλέον hBN επέδειξε ικανότητα μέτρησης της υγρασίας και ευαισθησία σε διάφορα αέρια όπως αιθανόλη, υδροχλωρικό οξύ και αμμωνία