Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/10247
Title: Synthesis, characterization and modeling of interphases created between titanium dioxide nanotubes and various layers in biological, physical and mechanical systems
Other Titles: Κατασκευή και χαρακτηρισμός νανοσωλήνων διοξειδίου του τιτανίου καθώς και μοντελοποίηση της διεπιφάνειας μεταξύ υποστρώματος και νανοσωλήνων σε βιολογικά, φυσικά και μηχανολογικά συστήματα
Authors: Portan, Diana Hortensia
Keywords: Nanomaterials
Titanium dioxide nanotubes
Hybrid multilayered nanocomposites
Keywords (translated): Νανοϋλικά
Νανοσωλήνες διοξειδίου του τιτανίου
Πολύστρωτα υβριδικά νανοσύνθετα
Abstract: Science is nowadays directed towards application; however, the path from basic to applied research has been proven sometimes difficult. This is the case of the titanium dioxide nanotube layers (TNTs), discovered more than a decade ago; immediately after being reported, it has been predicted that they would give miraculous characteristics to materials in electronic, biomedical and photovoltaic applications. The synthesis of the titanium dioxide nanotube layers through the electrochemical anodization was considered a very convenient method, due to its simplicity and low cost. Although this method is simple to apply, the dependency on a great number of manufacturing parameters require deep understanding and control on the whole fabrication process. Until the moment, a great difficulty has been encountered in applying this method on titanium for large scale applications (e.g. in mechanical systems and implantology). Different research groups focused on synthesizing these self-organized nanostructures on pure titanium plates, provided at high cost, from well known suppliers. However, the thin, well polished, high quality titanium plates are not appropriate for application to an industrial level. Mechanical structures in aeronautics and naval industries involve thick titanium plates with various internal and external characteristics. Further on, in biomedical applications, titanium implants present complex geometries and porosity. These technical aspects represented a strong impediment in processing the titanium surface and synthesizing the titanium dioxide nanotube layers on various titanium grades with complex geometry, such as for example a titanium dental screw type implant. In practice, a great difference exists between processing a plate surface and an implant surface. Suitable anodizing conditions result in titanium dioxide nanotube layers on pure titanium plates, while the same conditions can only enable the formation of pores on a titanium implant surface. A great need exists for a deeper understanding of the formation of highly organized microstructures on titanium surfaces through the electrochemical anodizing method. The present manuscript describes a set of experiments applied for the surface processing of different titanium plates and implants, through the electrochemical anodizing method and the manufacturing of TNTs based multilayered nanocomposites. The final target of this investigation is the application of the titanium dioxide nanotubes in three main directions: mechanical systems, implantology and solar cells. The first part of this study consists in a bibliographic investigation. An introduction in the self-organization of materials at nano-level is presented in Chapter 1. Self-organization of materials is a complex scientific area, widely used nowadays in materials’ surface processing. Titanium surface may be processed through self-organizing phenomena during an electrochemical anodization, which leads to titanium dioxide nanotubes formation. The second chapter (Chapter 2) describes several already reported case studies involving carbon and titanium dioxide nanotubes. Considering that composite materials are gaining ground in all kind of application, nanostructured phases such as nanotubes are of particular interest in composites manufacturing. Combining two nanostructured phases is an almost impossible target, except when it comes about multilayered composites. In multilayered composites, two nanostructured phases may come in direct contact. Interactions at nano-level result in improved structural, mechanical and electrical properties of the composite. Such an example is that one of titanium dioxide nanotubes as a substrate for CNTs in a multilayered architecture. A main issue when studying multilayered hybrid nanocomposites is the interphase effect. Thus, Chapter 3 is about a semi-empirical model, namely the Viscoelastic Hybrid Interphase Model, applied for the prediction of the mechanical properties of a composite, based on an interphase concept. Modeling the interphase properties is an extremely useful tool in advanced composites design and application. Finally, Chapter 4 mentions a number of application areas of multilayered hybrid nanocomposites. Chapter 5 mentions all technical aspects related to TNTs based multilayered hybrid nanocomposites manufacturing and methods used in their investigation. The experimental and theoretical investigations are presented in Chapters 6-8. Chapter 6 describes a number of anodization protocols involving several electrochemical parameters used for processing the titanium surface. Chapter 7 presents two case studies: (i) an investigation of the nanomechanical properties of TNTs based multilayered hybrid nanocomposites and (ii) an investigation of the mechanical properties of TNTs reinforced adhesive single lap joints. Chapter 8 is about the application of the TNTs in implantology, with emphasis on the ‘material-human cell’ interphase effect on implant integration in the host body; this chapter also includes an application of the Viscoelastic Hybrid Interphase Model, already presented in Chapter 3, to predict the properties of the interphase between living and nonliving materials when in contact, as well as an accurate prediction of human cells adhesion quality to various substrates, including TNTs and CNTs, through the model. Chapter 9 is an investigation of the reflectivity of TNTs based multilayered hybrid nanocomposites with possible application in solar cells. Finally, the global conclusions of the entire work and future scientific avenues on this subject are presented in Chapter 9.
Abstract (translated): Η νανοτεχνολογία αποτελεί μια νέα προσέγγιση για την κατανόηση και την άρτια γνώση των ιδιοτήτων της ύλης σε νανοκλίμακα. Στο επίπεδο αυτό αποκαλύπτονται διαφορετικές και συχνά καταπληκτικές ιδιότητες της ύλης και είναι δυσδιάκριτα τα όρια μεταξύ των καθιερωμένων επιστημών και τεχνικών κλάδων. Ως εκ τούτου, ο χαρακτήρας της νανοτεχνολογίας είναι άκρως διεπιστημονικός. Αξιοποίηση της νανοτεχνολογίας στην επιστήµη των υλικών µε εφαρµογές µεγάλου εύρους αναµένεται να επηρεάσουν ουσιαστικά όλους τους τοµείς. Νανοσωµατίδια χρησιµοποιούνται ήδη για την ενίσχυση υλικών και για την βελτίωση της ποιότητας των καλλυντικών. Με τη βοήθεια της νανοτεχνολογίας είναι δυνατό να τροποποιηθούν επιφάνειες έτσι ώστε να µην χαράσσονται, να καθίστανται αδιάβροχες, καθαρές ή αποστειρωµένες. Η επιλεκτική μεταμόσχευση οργανικών µορίων µέσω νανοδοµηµένων επιφανειών αναµένεται ότι θα επηρεάσει την παραγωγή βιοαισθητήρων και µοριακών ηλεκτρονικών συσκευών. Οι επιδόσεις των υλικών σε ακραίες συνθήκες µπορούν να βελτιωθούν σε σηµαντικό βαθµό προς όφελος π.χ. της αεροναυτικής και της διαστημικής βιοµηχανίας. Ο σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η ανάπτυξη νανοσωλήνων ΤιΟ2 σε υπόστρωμα καθαρού Τιτανίου με την βοήθεια ηλεκτροχημικής μεθόδου της ανοδίωσης, και η μελέτη των πιθανών εφαρμογών των νέων υλικών σε μηχανολογικά συστήματα, στην εμβιομηχανική και στην τεχνολογία των ηλιακών κυψελίδων στα φωτοβολταικά. Για τον σκοπό αυτό, κατασκευάστηκαν, ανάλογα με την περίπτωση, υβριδικά νανοσύνθετα υλικά αποτελούμενα από νανοσωλήνες ΤiO2 και νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) σε μήτρα βιο-αποικοδομήσιμης ρητίνης. Στο πρώτο μέρος της διατριβής, το οποίο αποτελείται από τέσσερα Κεφάλαια, περιγράφεται η τρέχουσα γνώση σχετικά με το αντικείμενο της διατριβής. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μία εισαγωγή στην περιοχή των οργανωμένων νανοδομών και πιο συγκεκριμένα, περιγράφεται η σύνθεση νανοσωλήνων διοξειδίου του Τιτανίου με την μέθοδο της ηλεκτροχημείας καθώς και η επίδραση σειράς παραμέτρων που επηρεάζουν την γεωμετρία των παραγομένων νανοσωλήνων. Τονίζεται η αξία και η χρησιμότητα των νανοσωλήνων διοξειδίου του Τιτανίου καθώς και οι εφαρμογές τους σε διάφορους τομείς της τεχνολογίας, όπως στην ηλεκτρονική, στην βιοϊατρική, την εμβιομηχανική καθώς και σε μηχανολογικά συστήματα. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται εκτενής αναφορά στις μεθόδους κατασκευής και χαρακτηρισμού νανοσυνθέτων υλικών ενισχυμένων με νανοσωλήνες διοξειδίου του Τιτανίου καθώς και Νανοσωλήνες άνθρακα. Στο Κεφάλαιο 3 γίνεται η αναλυτική παρουσίαση της μοντελοποίησης των νανοσυνθέτων με την εφαρμογή του μοντέλου της Βισκοελαστικής Υβριδικής Ενδιάμεσης Φάσης (Viscoelastic Hybrid Interphase Model). Το Κεφάλαιο 4, που αποτελεί και το τελευταίο Κεφάλαιο του Πρώτου Μέρους της Διατριβής, είναι αφιερωμένο στα πεδία εφαρμογής των πολυστρώτων Υβριδικών Νανοσυνθέτων Υλικών. Το δεύτερο Μέρος της Διατριβής αποτελείται από έξι Κεφάλαια στα οποία περιγράφεται η σύνθεση, ο χαρακτηρισμός και η μοντελοποίηση των πολυστρώτων νανοσυνθέτων με τα οποία ασχολείται η συγκεκριμένη διατριβή. Επίσης, παρουσιάζονται οι παράμετροι κατασκευής των νανοσωλήνων που ελήφθησαν υπ'όψιν ενώ τονίζεται το γεγονός ότι ενώ η μέθοδος της ηλεκτροχημείας φαίνεται μία απλή σχετικά μέθοδος κατασκευής νανοσωλήνων, ο μεγάλος αριθμός των παραμέτρων καθώς και η αλληλεξάρτησή τους την καθιστούν μία πολύ ευαίσθητη μέθοδο, με αποτέλεσμα, μικρές αλλαγές σε μία παράμετρο να προκαλούν μεγάλες και μη αναμενόμενες αλλαγές στο τελικό αποτέλεσμα. Ως αποτέλεσμα των παραπάνω, η μέθοδος αυτή δεν έχει καταστεί δυνατόν να εφαρμοσθεί σε ευρεία κλίμακα στην ιατρική και την τεχνολογία. Αυτός είναι και ο λόγος της έντονης ερευνητικής δραστηριότητας στον τομέα αυτό με σκοπό την βαθύτερη κατανόηση των παραμέτρων κατασκευής των νανοσωλήνων αλλά και της μελέτης της συμπεριφοράς των νανοσυνθέτων που είναι ενισχυμένα με νανοσωλήνες Τιτανίου καθώς και τη διερεύνηση των πιθανών εφαρμογών τους σε διάφορους τομείς της επιστήμης και τεχνολογίας. Στο Κεφάλαιο 5 γίνεται η παρουσίαση των υλικών και των μεθόδων που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή των νανοσωλήνων διοξειδίου του Τιτανίου αλλά και των νανοσυνθέτων. Στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα ανοδίωσης που έγιναν πάνω σε δοκίμια Τιτανίου διαφόρων τύπων και διαφορετικής γεωμετρίας. Στο Κεφάλαιο 7 γίνεται η μελέτη τόσο σε νανοεπίπεδο όσο και σε μάκρο-επίπεδο πολύστρωτων νανοσυνθέτων ενισχυμένων με νανοσωλήνες διοξειδίου του Τιτανίου. Πιο συγκεκριμένα, μελετάται η νανομηχανική συμπεριφορά με την μέθοδο της Νανοδιείσδυσης σε πολύστρωτες πλάκες νανοσυνθέτων. Επίσης, στο ίδιο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η εφαρμογή της μεθόδου σε πλάκες Τιτανίου οι οποίες αποτελούν μέλη συνδέσμων μονού επιθέματος (single lap joints) και παρουσιάζεται η επίδραση της ενίσχυσης της κόλλας με νανοσωλήνες άνθρακα καθώς και η ανάπτυξη νανοσωλήνων διοξειδίου του Τιτανίου στις επιφάνειες τιτανίου που συγκολλούνται στον σύνδεσμο, στην μηχανική συμπεριφορά του συνδέσμου. Στο Κεφάλαιο 8 μελετάται θεωρητικά αλλά και πειραματικά η πρόσφυση οστεοβλαστών σε επιφάνειες Τιτανίου με και χωρίς νανοσωλήνες διοξειδίου του Τιτανίου. Η πειραματική μελέτη ενισχύθηκε με την βοήθεια της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας, ενώ η θεωρητική μελέτη έγινε με εφαρμογή του μοντέλου της Βισκοελστικής Υβριδικής Ενδιάμεσης Φάσης. Τα αποτελέσματα της εφαρμογής του μοντέλου ερμηνεύουν πολλά από τα πειραματικά ευρήματα. Στο Κεφάλαιο 9 γίνεται η παρουσίαση των αποτελεσμάτων της εφαρμογής των Νανοσωλήνων Τιτανίου σε φωτοβολταϊκά στοιχεία, και τέλος, στο Κεφάλαιο 10 γίνεται μία παρουσίαση των σημαντικών συμπερασμάτων που προέκυψαν από την παρούσα διδακτορική διατριβή.
Appears in Collections:Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχαν. (ΔΔ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
PhD Thesis Diana Portan.pdf6.77 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.