Συστολική νανοκατασκευή φωτονικών και βιομιμητικών δομών

• Κύριος συγγραφέας: Παπαχριστοπούλου, Κωνσταντίνα
• Άλλοι συγγραφείς: Papachristopoulou, Konstantina
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2021
• Θέματα: Νανοτεχνολογία; Συστολική νανοκατασκευαστική; Αεροπήκτωμα; Ξηροπήκτωμα; Φωτονική; Ολογραφικές δομές; Βιομιμητική; Nanotechnology; Systolic nanofabrication; Aerogel; Xerogel; Photonics; Holographic structures; Biomimetics

Τα Αεροπηκτώματα (Aerogels) και τα Ξηροπηκτώματα (Xerogels) είναι εξαιρετικά νανοπορώδη στερεά υλικά γεμάτα με αέρα, αντίστοιχα, που παράγονται με φυσική ή υπερκρίσιμη ξήρανση υγρών πηκτωμάτων. Έχουν μοναδικές φυσικές ιδιότητες και αποτελούν μια ενδιαφέρουσα κατηγορία υλικών υψηλού πορώδους που μπορούν να χαρακτηρισθούν ως στερεός αφρός με εντυπωσιακά χαμηλή πυκνότητα. Με την εφεύρεση των αεροπηκτωμάτων από τον Kistler το 1931 και αργότερα, με την παραγωγή μονολιθικών ξηροπηκτωμάτων από τον Ralph Marotta το 1966, αναπτύχθηκε μια μεγάλη ποικιλία υλικών «στερεού νανο-αφρού» με ξεχωριστές ιδιότητες. Το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας εισάγει μια νέα εφαρμογή με χρήση υπερπορώδων υλικών πυριτίας (SiO2) για την κατασκευή νανοφωτονικών και βιομιμητικών δομών πολύ υψηλής ευκρίνειας δόμησης. Αεροπηκτωματα και ξηροπηκτώματα πυριτίας διαμορφώνονται με μίκρο- /νάνο-δομές και με μια βηματική θερμική επεξεργασία σμικρύνονται ισοτροπικά με σύντηξη. Η σύμμορφη συστολική διαδικασία παράγει δομές υπερ-ευκρίνειας ενώ τα παραγόμενα υαλώδη πυριτικά στοιχεία είναι αδρανή και έχουν εξαιρετικές φυσικές και οπτικές ιδιότητες. Η διπλωματική εργασία εστιάζει στην ανάπτυξη και επεξεργασία μονολιθικών αεροπηκτωμάτων και ξηροπηκτωμάτων, με έμφαση στη μεταφορά μικρο/νανοδομών που προέρχονται από τεχνητά ή φυσικά πρότυπα για φωτονικές εφαρμογές. Η εργασία αρχίζει με την χημική σύνθεση της πυριτικής γέλης με χρήση TMOS ως πρώτη ύλη. Για την δημιουργία των αεροπηκτωμάτων και των ξηροπηκτωμάτων εφαρμόστηκε η διαδικασία υπερκρίσιμης ξήρανσης υψηλής θερμοκρασίας και η φυσική ξήρανση αντίστοιχα. Η αποτύπωση των περιθλαστικών, ολογραφικών και βιομιμητικών μικρο/νανοδομών, που παρουσιάζονται στο παρόν έργο, έγινε με χύτευση του αλκοπηκτώματος σε κατάλληλες πρότυπες μήτρες που έφεραν τα αρνητικά αντίγραφα των πρότυπων δομών. Η βηματική θερμική επεξεργασία που εφαρμόστηκε με την κατασκευή των αεροπηκτωμάτων και των ξηροπηκτωμάτων είχε ως αποτέλεσμα την συρρίκνωση τόσο των συνολικών διαστάσεων των πυριτικών υλικών όσο και των δομών που φέρουν στην επιφάνεια ή τον όγκο τους, εισάγοντας την Συστολική Νανοκατασκευαστική Μέθοδο. vi Η Συστολική Νανοκατασκεαστική Μέθοδος παράγει μικροσκοπικά αντίγραφα του προτύπου, τα οποία διατηρούν τις αρχικές στερεομετρικές μορφές και διαμόρφωση σε επίπεδο νανοκλίμακας. Οι παραδειγματικές ολογραφικές και βιομιμητικές νανοαρχιτεκτονικές σμικρύνονται ισοτροπικά κατά ~ 4×, αποδίδοντας χαρακτηριστικά μικρότερα των ~ 100nm. Λειτουργικές φωτονικές δομές περίθλασης, δυαδικών ολογραμμάτων, βιομιμητικών νανοακίδων και μικροφακοί σύνθετου οφθαλμού επιδεικνύονται πειραματικά. Τα αποτελέσματα της παρούσας μεταπτυχιακής διπλωματικής εργασίας συνηγορούν προς μια εναλλακτική καινοτόμο ιδέα για την εξέλιξή της νανοτεχνολογίας, ικανής να ξεπεράσει τα καθιερωμένα όρια ευκρίνειας των διαθέσιμων τεχνικών νανοδόμησης. Επιπλέον παρέχει σημαντικές δυνατότητες κατασκευής 3-διάστατων μικρο και νανοδιατάξεων για εφαρμογές φωτονικής, βιοϊατρικής και άλλους τομείς της νανοτεχνολογίας.