Development of functional inks using hybrid nanoparticles for disruptive applications

使用混合纳米颗粒开发用于颠覆性应用的功能性墨水

基本信息

  • 批准号:
    RGPIN-2019-06571
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 2.2万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    加拿大
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2021-01-01 至 2022-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Due to advancements in nanotechnology, we are in an era of ever increasing miniaturization. Smaller and smaller micro- and nanoscale mechanical, electronic and optical components are being manufactured that have functionalities comparable to their larger mesoscale versions. Nanomaterials are the fundamental building blocks of nanotechnology, where materials such as carbon nanotubes, graphene, metal and metal-oxide nanoparticles (NPs) offer advantages and limitations. To fabricate functional materials and devices, different NPs must be (1) organized in specific ways, and (2) thereafter combined together to form multifunctional materials and devices. For NP organization, we draw inspiration from nature, e.g., fish tails, insect wings, abalone shell and bone, where the precise orientation and layering of NPs produces microstructures that define the behavior and properties of a material. Different organizations of NPs within a material produce different ways of controlling wettability, pore structure, optical reflectivity and adhesion. Different NPs can also be simultaneously synthesized together to create hybrid nanoparticles (hNPs) that combine the advantages of their primary NP constituents. The long term vision of this project is to develop scalable methods for producing a wide range of hNPs for engineering applications. This Discovery Grant will (a) investigate the optimum processing conditions for in-situ functionalization of the exterior surfaces of carbon nanotubes (CNTs) with polymer coatings, biomolecules and other NPs to produce hNPs, (b) produce stable functional inks with the synthesized hNPs for various physical and biological applications, (c) utilize passive means to control the microstructures of the hNPs, and (d) investigate the performance of the functional inks for emerging applications, including chemical sensors, printed electronics and energy storage devices. Overall, the research will enable the design and fabrication of functional inks for engineering applications. Using an ink, one could, for instance, imagine a rechargeable battery printed with the ink into a structure of thickness comparable to that of a business card, where a thin surface film contains all of the printed electronics. Such a device would be capable of responding to its environment by sensing, for example, chemicals, biomolecules, temperature and human interactions. The research results contain the promise of being translated into innovative applications based on the understanding of multiple disciplines. We will involve five HQPs, i.e., three PhD students, an undergraduate researcher and a postdoctoral researcher, to perform this interdisciplinary research across materials chemistry, magnetics, nanoscience, device testing, materials characterization and experimentation.
由于纳米技术的进步,我们正处于一个日益小型化的时代。越来越小的微米级和纳米级机械、电子和光学元件正在被制造出来,其功能可与较大的介观级版本相媲美。纳米材料是纳米技术的基本组成部分,其中碳纳米管、石墨烯、金属和金属氧化物纳米粒子 (NP) 等材料具有优点和局限性。 为了制造功能材料和器件,不同的纳米粒子必须(1)以特定方式组织,(2)然后组合在一起形成多功能材料和器件。对于纳米粒子组织,我们从自然中汲取灵感,例如鱼尾、昆虫翅膀、鲍鱼壳和骨头,其中纳米粒子的精确定向和分层产生了定义材料行为和特性的微观结构。材料内不同的纳米颗粒组织会产生不同的控制润湿性、孔隙结构、光学反射率和粘附力的方式。不同的纳米颗粒也可以同时合成在一起,形成混合纳米颗粒 (hNP),结合了其主要纳米颗粒成分的优点。 该项目的长期愿景是开发可扩展的方法来生产用于工程应用的各种 hNP。该发现补助金将(a)研究用聚合物涂层、生物分子和其他纳米颗粒对碳纳米管(CNT)外表面进行原位功能化以生产 hNP 的最佳加工条件,(b)用合成的 hNP 生产稳定的功能油墨用于各种物理和生物应用,(c) 利用被动手段控制 hNP 的微观结构,以及 (d) 研究新兴应用的功能性墨水的性能,包括化学传感器、印刷电子和能量存储设备。总体而言,该研究将使用于工程应用的功能性墨水的设计和制造成为可能。例如,使用墨水,人们可以想象用墨水印刷的可充电电池,其厚度与名片的结构相当,其中薄的表面薄膜包含所有印刷的电子设备。这种设备能够通过感知化学物质、生物分子、温度和人类相互作用等来响应其环境。研究成果有望转化为基于多学科理解的创新应用。我们将邀请五名 HQP,即三名博士生、一名本科生研究员和一名博士后研究员,开展跨材料化学、磁学、纳米科学、器件测试、材料表征和实验的跨学科研究。

项目成果

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