This talk will begin with the demonstration of facile synthesis of silicon nanostructures using the magnesiothermic reduction on silica nanostructures prepared via self-assembly, which will be followed by the characterization results of their performance for energy storage. This talk will also report the fabrication and characterization of highly porous, stretchable, and conductive polymer nanocomposites embedded with carbon nanotubes (CNTs) for application in flexible lithium-ion batteries. It will be presented that the porous CNT-embedded PDMS nanocomposites are capable of good electrochemical performance with mechanical flexibility, suggesting these nanocomposites could be outstanding anode candidates for use in flexible lithium-ion batteries. Directed self-assembly (DSA) of block copolymers (BCPs) can generate uniform and periodic patterns within guiding templates, and has been one of the promising nanofabrication methodologies for resolving the resolution limit of optical lithography. BCP self-assembly processing is scalable and of low cost, and is well-suited for integration with existing semiconductor manufacturing techniques. This talk will introduce recent research results (of my research group) on the self-assembly of Si-containing block copolymers for the achievement of sub-10 nm resolution, fast pattern generation, transfer-printing capability onto nonplanar substrates, and device applications for nonvolatile memories. An extraordinarily facile nanofabrication approach that enables sub-10 nm resolutions through the synergic combination of nanotransfer printing (nTP) and DSA of block copolymers is also introduced. This simple printing method can be applied on oxides, metals, polymers, and non-planar substrates without pretreatments. This talk will also report the direct formation of ordered memristor nanostructures on metal and graphene electrodes by the self-assembly of Si-containing BCPs. This approach offers a practical pathway to fabricate high-density resistive memory devices without using high-cost lithography and pattern-transfer processes. Finally, this talk will present a novel approach that can relieve the power consumption issue of phase-change memories by incorporating a thin $SiO_x$ layer formed by BCP self-assembly, which locally blocks the contact between a heater electrode and a phase-change material and reduces the phase-change volume. The writing current decreases by 5 times (corresponding to a power reduction of 1/20) as the occupying area fraction of $SiO_x$ nanostructures varies.
Block copolymer micelles are generally formed via the self-assembly of amphiphilic block copolymers in an aqueous medium. The hydrophilic and hydrophobic blocks form shell and core micelles, respectively. The block copolymers of methoxy poly(ethylene glycol) (MPEG)-b-poly(2-diisopropylamino)ethyl methacrylate (PDPA) were synthesized via atom transfer radical polymerization, with the macro initiator synthesized by the coupling of 2-bromoisobutyryl bromide with MPEG in the presence of a triethyl amine base catalyst. The atom transfer radical polymerization of 2-diisopropylamino)ethyl methacrylate was performed in conjunction with an N,N,N',N",N"-pentamethyl-diethylenetriamine/copper bromide catalyst system, in DMF, at $70^{\circ}C$. The pH induced micellization/demicellization was studied using fluorescence, with a pyrene probe. Furthermore, the pH dependent micellization was confirmed using the microviscosity method, with a dipyme fluorescence probe. The pH dependant micelle size distribution was studied using dynamic light scattering. The characterization of the synthesized polymers was established using gel permeation chromatography and from the $^1H-nuclear$ magnetic resonance spectroscopy.
Size control of therapeutic carriers in drug delivery systems has become important due to its relevance to biodistribution in the human body and therapeutic efficacy. To understand the dependence of particle size on the formation condition during nanoprecipitation method, we prepared nanoparticles from biodegradable, amphiphilic block copolymers and investigated the particle size and structure of the resultant nanoparticles according to various process parameters. We synthesized monomethoxy poly(ethylene glycol)-poly($\varepsilon$-caprolactone) block copolymer, MPEG-PCL, with different MPEG/PCL ratios via ring opening polymerization initiated from the hydroxyl end group of MPEG. Using various formulations with systematic change of the block ratio of MPEG and PCL, solvent choice, and concentration of organic phase, MPEG-PCL nanoparticles were prepared through nanoprecipitation technique. The results indicated that (i) the nanoparticles have a dual structure with an MPEG shell and a PCL core, originating from self-assembly of MPEG-PCL copolymer in aqueous condition, and (ii) the size of nanoparticles is dependent upon two sequential processes: diffusion between the organic and aqueous phases and solidification of the polymer.
고분자 전해질막 연료전지의 대량 생산을 위하여 막-전극 접합체(MEA) 활성화 방법의 개발이 중요한 현안이다. 현재 개발된 MEA활성화 방법은 시간이 많이 소요됨으로 인해 수소의 사용량 또한 증가하여 연료전지의 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있다. 통상적인 활성화 방법은 활성화 원리를 주로 전해질 수화 관점에서 이해하였다. 반면, 본 논문에서 제안된 순환전압전류(cyclic voltammetry, CV) 활성화 방법은 전해질 및 촉매적 관점에서 별도로 분리하여 이해하였다. 따라서 전해질 관점에서는 상대 습도 100%인 가습된 질소를 공급하여 전극 및 막의 전해질을 수화시키는 과정으로 구성되고, 촉매적 관점에서는 CV 사이클을 수행하여 백금 촉매에 흡착되어 있는 불필요한 오염물질, 또는 산화피막을 제거하는 과정으로 수행된다. CV 활성화법은 2.5 h 내에 활성화가 종료되어 활성화 시간을 크게 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라, 수소 사용량도 기존 활성화 방법에 비하여 1/4 이하로 감소시킬 수 있어서 효과적인 연료전지 활성화 방법으로 제안하고자 한다.
분자 모델에 의한 전산 모사는 단백질 접힘, 미셀화, 블록공중합체의 규칙구조화 등 다양한 고분자 계의 자기조립 현상을 예측하거나 그 조립 메커니즘을 밝히는 데 특별히 유용한 연구방법이다. 자기조립 현상은 분자 수, 분자 크기 등, 계의 속성에 따라 나노미터 이하의 현상으로부터 마이크론이나 그 이상의 길이 스케일의 현상까지 조립 구조의 길이 스케일이 매우 광범위하기 때문에 다양한 계의 모든 조립 현상을 양자역학적 방법과 같은 궁극의 근본원칙에 의해 모사하는 것은 현실적인 시간 내에서 불가능하다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 계를 기술하는 과정에서 필요 이상으로 세밀한 표현을 생략하여 모델을 다른 관점에서 재구성하는 방법이 있는데 재구성된 모델은 그 관점에 따라 크게 '원자 수준'의 모델과 '메조 스케일 수준'의 모델로 분류할 수 있다. 본 총론에서는 고분자 자기조립 현상과 관련하여 이 두 가지 관점에 따른 모델과 모사 방법들에 대해 살펴보고자 한다.
To maximize the oxygen evolution reaction (OER) in the electrolysis of water, nano-grade $IrO_2$ powder with a low specific surface was prepared as a catalyst for a solid polymer electrolyte (SPE) system, and a membrane electrode assembly (MEA) was prepared with a catalyst loading as low as $2mg\;cm^{-2}$ or less. The $IrO_2$ catalyst was composed of heterogeneous particles with particle sizes ranging from 20 to 70 nm, having a specific surface area of $3.8m^2g^{-1}$. The anode catalyst layer of about $5{\mu}m$ thickness was coated on the membrane (Nafion 117) for the MEA by the decal method. Scanning electron microscopy (SEM) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) confirmed strong adhesion at the interface between the membrane and the catalyst electrode. Although the loading of the $IrO_2$ catalyst was as low as $1.1-1.7mg\;cm^{-2}$, the SPE cell delivered a voltage of 1.88-1.93 V at a current density of $1A\;cm^{-2}$ and operating temperature of $80^{\circ}C$. That is, it was observed that the over-potential of the cell for the oxygen evolution reaction (OER) decreased with increasing $IrO_2$ catalyst loading. The electrochemical stability of the MEA was investigated in the electrolysis of water at a current density of $1A\;cm^{-2}$ for a short time. A voltage of ~2.0 V was maintained without any remarkable deterioration of the MEA characteristics.
Kim, Seul-Gi;Seo, Young-Gon;Cho, Young-Jin;Shin, Jin-Sub;Gil, Seung-Chul;Lee, Won-Mok
Bulletin of the Korean Chemical Society
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제31권7호
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pp.1891-1896
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2010
Submicron-sized polymeric colloidal particles can self assemble into 3-dimensional (3D) opal structure which is a useful template for photonic crystal. Narrowly dispersed polymer microspheres can be synthesized by emulsion polymerization in water using water-soluble radical initiator. In this report, we demonstrate a facile and reproducible emulsion polymerization method to prepare various polymeric microspheres within 200 - 400 nm size ranges which can be utilized as colloidal photonic crystal template. By controlling the amount of monomer and surfactant, monodisperse polymer colloids of polystyrene (PS) and acrylates with various sizes were successfully prepared without complicated synthetic procedures. Such polymer colloids self-assembled into 3D opal structure exhibiting bright colors by reflection of visible light. The colloidal particles and the resulting opal structures were rigorously characterized, and the wavelength of the structural color from the colloidal crystal was confirmed to have quantitative relationship with the size of constituting colloidal particles as predicted by Bragg equation. The tunability of the structural color was achieved not only by varying the particle size but also by infiltration of the colloidal crystal with liquids having different refractive indices.
Thermosensitive nanoparticles were prepared via the self-assembly of two different $poly({\varepsilon}-caprolactone)$-based block copolymers of poly(N-isopropylacrylamide)-b-$poly({\varepsilon}-caprolactone)$ (PNPCL) and poly(ethylene glycol)-b-$poly({\varepsilon}-caprolactone)$ (PEGCL). The self-aggregation and thermosensitive behaviors of the mixed nanoparticles were investigated using $^1H-NMR$, turbidimetry, differential scanning microcalorimetry (micro-DSC), dynamic light scattering (DLS), and fluorescence spectroscopy. The copolymer mixtures (mixed nanoparticles, M1-M5, with different PNPCL content) formed nano-sized self-aggregates in an aqueous environment via the intra- and/or intermolecular association of hydrophobic PCL chains. The microscopic investigation of the mixed nanoparticles showed that the critical aggregation concentration (cac), the partition equilibrium constants $(K_v)$ of pyrene, and the aggregation number of PCL chains per one hydrophobic microdomain varied in accordance with the compositions of the mixed nanoparticles. Furthermore, the PNPCL harboring mixed nanoparticles evidenced phase transition behavior, originated by coil to the globule transition of PNiPAAm block upon heating, thereby resulting in the turbidity change, endothermic heat exchange, and particle size reduction upon heating. The drug release tests showed that the formation of the thermosensitive hydrogel layer enhanced the sustained drug release patterns by functioning as an additional diffusion barrier.
We fabricated tetra(5-n-nonyl-8-tert-butyl-2,3-pyrazino[2,3-b]indolo)porphyrazinato copper(II) (Cu-Pc-$C_8$) Langmuir-Blodgett (LB) films. We further investigated the influence of arachidic acid (AA) as a transfer promoter, as well as the effect of dipping speed, on the deposition of the films on hydrophilic and hydrophobic substrates. In the case of pure Cu-Pc-$C_8$ LB deposition on a hydrophilic substrate, the transfer ratio was close to one for up-stroke depositions, but the previously deposited film was peeled off and re-spread onto water at down-stroke depositions. Whereas the stability of the Cu-Pc-$C_8$ LB films was not improved by AA addition on hydrophilic substrates, the deposition of Cu-Pc-$C_8$ was significantly improved by the presence of AA on a hydrophobic substrate. The AA-assisted deposition had transfer ratio of close to 1 and was essentially stable up to 10-layer depositions. Comparison of the UV-visible spectrum of a Cu-Pc-$C_8$/AA LB film with that of Cu-Pc-$C_8$/AA solution in dichloroethane revealed that the Soret and Q bands for the Cu-Pc-$C_8$/AA LB film were broadened and red-shifted due to the aggregation of phthalocyanines upon assembly in the LB film.
From measured thermal conductivity and modeling by simulation, this study suggests that U-factors are highly related to materials used between steel and polymer. The objective and prospective point of this study are to relate the relationship between the U-factor and the thermal conductivity of the materials used. For the characterization, EDX, SEM, a thermal conductive meter, and computer simulation utility are used to analyze the elemental, surface structural properties, and U-factor with a simulation of the used material between steel and polymer. This study set out to divide the curtain wall system that makes up the envelope into an aluminum frame section and entrance frame section and interpret their thermal performance with U-factors. Based on the U-factor thermal analysis results, the target curtain wall system is divided into fix and vent types. The glass is 24 mm double glazing (6 mm common glass +12 mm Argon +6 mm Low E). The same U-factor of 1.45 W/m2·K is applied. The interpretation results show that the U-factor and total U-value of the aluminum frame section are 1.449 and 2.343 W/m2·K, respectively. Meanwhile, those of the entrance frame section are 1.449 and 2.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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