Preview

Наносистемы: физика, химия, математика

Расширенный поиск

Композит гидроксиапатит-многостенные углеродные нанотрубки: Исследование пористости методом терагерцовой спектроскопии во временной области

https://doi.org/10.17586/2220-8054-2023-14-5-530-538

Аннотация

Методом терагерцовой спектроскопии во временной области в диапазоне частот 0.25-1.1 ТГц изучены оптические свойства керамического биокомпозитного материала на основе гидроксиапатита (ГА) с добавками до 0.5 мас.% многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ). Было обнаружено, что показатель преломления композита колеблется от 2.6 до 2.8 в зависимости от пористости материала. Коэффициент поглощения уменьшается с увеличением концентрации МУНТ в керамическом биокомпозите. Значения показателя преломления и коэффициента поглощения нашей керамики близки к таковым для кортикальной кости, дентина и эмали. Кривые поглощения показывают частотные пики, положение которых соответствует размерам макрокристаллитов. Размер макрокристаллитов уменьшается с увеличением концентрации МУНТ, что приводит к увеличению микротвердости в соответствии с уравнением Холла-Петча. Временная задержка прохождения терагерцового сигнала через образец увеличивается при более высокой концентрации МУНТ. Это указывает на то, что нанотрубки, внедренные в матрицу ГА, заполняют поры и уменьшают площадь порового пространства, что увеличивает плотность керамического композита и уменьшает его пористость.

Об авторах

А. Е. Резванова
Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences
Россия

Резванова Анастасия Евгеньевна 



Б. С. Кудряшов
Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences
Россия

Кудряшов Борис Сергеевич



А. Н. Пономарёв
Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences
Россия

Пономарёв Александр Николаевич



А. И. Князькова
Tomsk State University
Россия

Князькова Анастасия Игоревна



В. В. Николаев
Tomsk State University
Россия

Николаев Виктор Владимирович



Ю. В. Кистенёв
Tomsk State University
Россия

Кистенёв Юрий Владимирович 



Список литературы

1. Fiume E., Magnaterra G., Rahdar A., Vern´e E., Baino F. Hydroxyapatite for biomedical applications: A short overview. Ceramics, 2021, 4 (4), P. 542–563.

2. Barabashko M.S., Tkachenko M.V., Neiman A.A., Ponomarev A.N., Rezvanova A.E. Variation of Vickers microhardness and compression strength of the bioceramics based on hydroxyapatite by adding the multi-walled carbon nanotubes. Appl. Nanosci., 2019, 10 (8), P. 2601–2608.

3. Han Y., Wei Q., Chang P., Hu K., Okoro O.V., Shavandi A., Nie L. Three-dimensional printing of hydroxyapatite composites for biomedical application. Crystals, 2021, 11 (4), 353.

4. Ebrahimi M. Porosity parameters in biomaterial science: Definition, impact, and challenges in tissue engineering. Front. Mater. Sci., 2021, 11 (4), 353.

5. Ponomarev A.N., Barabashko M.S., Rezvanova A.E., Evtushenko E.P. Influence of Porosity on Fracture Toughness of Hydroxyapatite/Multi- Walled Carbon Nanotubes Biocomposite Materials. Russ. Phys. J., 2021, 63 (11), P. 1885–1890.

6. Barabashko M.S., Tkachenko M.V., Rezvanova A.E., Ponomarev A.N. Analysis of temperature gradients in the hydroxyapatite ceramics with the additives of multi-walled carbon nanotubes. Russ. J. Phys. Chem., 2021, 95 (5), P. 1017–1022.

7. Sreedhara S.S., Tata N.R. A novel method for measurement of porosity in nanofiber mat using pycnometer in filtration. J. Eng. Fiber. Fabr., 2013, 8 (4), 155892501300800.

8. Giesche H. Mercury porosimetry: A general (practical) overview. Part. Part. Syst. Charact., 2006, 23 (1), P. 9–19.

9. Hollamby M.J. Practical applications of small-angle neutron scattering. Phys. Chem. Chem. Phys., 2013, 15 (26), P. 10566–10579.

10. Chalmers G.R., Bustin R.M., Power I.M. Characterization of gas shale pore systems by porosimetry, pycnometry, surface area, and field emission scanning electron microscopy/transmission electron microscopy image analyses: Examples from the Barnett, Woodford, Haynesville, Marcellus, and Doig units. Am. Assoc. Pet. Geol. Bull., 2012, 96 (6), P. 1099–1119.

11. Mitchell J., Webber J., Strange J. Nuclear magnetic resonance cryoporometry. Phys. Rep., 2008, 461 (1), P. 1–36.

12. Nikoghosyan A.S., Ting H., Shen J., Martirosyan R.M., Tunyan M.Y., Papikyan A.V., Papikyan A.A. Optical properties of human jawbone and human bone substitute Cerabone® in the terahertz range. J. Contemp. Phys., 2016, 51 (3), P. 256–264.

13. Bawuah P., Markl D., Farrell D., Evans M., Portieri A., Anderson A., Goodwin D., Lucas R., Zeitler J.A. Terahertz-based porosity measurement of pharmaceutical tablets: A tutorial. J. Infrared, Millimeter, Terahertz Waves, 2020, 41 (4), P. 450–469.

14. Stringer M.R., Lund D.N., Foulds A.P., Uddin A., Berry E., Miles R.E., Davies A.G. The analysis of human cortical bone by terahertz time-domain spectroscopy. Phys. Med. Biol., 2005, 50 (14), P. 3211–3219.

15. Kistenev Y.V., Nikolaev V.V., Kurochkina O.S., Borisovb A.V., Sandykova E.A., Krivova N.A., Tuchina D.K., Timoshona P.A. Use of terahertz spectroscopy for in vivo studies of lymphedema development dynamics. Opt. Spectrosc., 2019, 126 (5), P. 523–529.

16. Sudworth C.D., Fitzgerald A.J., Berry E., Zinov’ev N.N., Homer-Vanniasinkam S., Miles R.E., Chamberlain M., Smith M.A. The optical properties of human tissue at terahertz frequencies. European Conference on Biomedical Optics, 2003, 5143, P. 59–68.

17. Sim Y.C., Maeng I., Son J.-H. Frequency-dependent characteristics of terahertz radiation on the enamel and dentin of human tooth. Curr. Appl. Phys., 2009, 9 (5), P. 946–949.

18. Berry E., Fitzgerald A.J., Zinov’ev N.N., Walker G.C., Homer-Vanniasinkam S., Sudworth C.D., Miles R.E., Chamberlain J.M., Smith M.A. Optical properties of tissue measured using terahertz-pulsed imaging. Proceedings of SPIE, 2003, 5030, P. 459–470.

19. Bessou M., Chassagne B., Caumes J.-P., Prad`ere C., Maire P., Tondusson M., Abraham E. Three-dimensional terahertz computed tomography of human bones. Appl. Opt., 2012, 51 (28), P. 6738–6744.

20. Cai J., Guang M., Zhou J. et al. Dental caries diagnosis using terahertz spectroscopy and birefringence. Optics Express, 2022, 30 (8), P. 13134–13147.

21. Zyman Z., Ivanov I., Rochmistrov D., Glushko V., Tkachenko N., Kijko S. Sintering peculiarities for hydroxyapatite with different degrees of crystallinity. J. Biomed. Mater. Res., 2001, 54 (2), P. 256–263.

22. Zyman Z.Z., Tkachenko M.V., Polevodin D.V. Preparation and characterization of biphasic calcium phosphate ceramics of desired composition. J. Mater. Sci. Mater. Med., 2008, 19 (8), P. 2819–2825.

23. Usoltseva A., Kuznetsov V., Rudina N., Moroz E., Haluska M., Roth S. Influence of catalysts’ activation on their activity and selectivity in carbon nanotubes synthesis. Phys. Stat. Sol., 2007, 244 (11), P. 3920–3924.

24. Kuznetsov V.L., Krasnikov D.V., Schmakov A.N., Elumeeva K.V. In situ and ex situ time resolved study of multi-component Fe-Co oxide catalyst activation during MWNT synthesis. Phys. Stat. Sol., 2012, 249 (12), P. 2390–2394.

25. Barabashko M.S., Drozd M., Szewczyk D., Je˙zowski A., Bagatskii M.I., Sumarokov V.V., Doblin A.V., Nesov S.N., Korusenko P.M., Ponomarev A.N., Geidarov V.G., Kuznetsov V.L., Moseenkov S.I., Sokolov D.V., Smirnov D.A. Calorimetric, NEXAFS and XPS studies of MWCNTs with low defectiveness. Fullerenes, Nanotubes Carbon Nanostruct., 2021, 29 (5), P. 331–336.

26. Ponomarev A., Egorushkin V., Bobenko N., Barabashko M., Rezvanova A., Belosludtseva A. On the possible nature of armchair-zigzag structure formation and heat capacity decrease in MWCNTs. Materials, 2022, 15 (2), 518.

27. Kudryashov B.S., Rezvanova A.E., Ponomarev A.N., Belosludtseva A.A., Barabashko M.S. Analysis of electron microscopic images of multiwalled carbon nanotubes: Determination of the average diameter. AIP Conference Proceedings, 2022, 2509 (1), 020118.

28. Barabashko M., Ponomarev A., Rezvanova A., Kuznetsov V., Moseenkov S. Young’s modulus and vickers hardness of the hydroxyapatite bioceramics with a small amount of the multi-walled carbon nanotubes. Materials, 2022, 15 (15), 5304.

29. TeraVil Ltd. URL: https://www.teravil.lt/t-spec.php. Accessed 27 July 2022.

30. Nishizawa S., Sakai K., Hangyo M., Nagashima T., Takeda M.W., Tominaga K., Oka A., Tanaka K., MorikawaO. Terahertz time-domain spectroscopy. Top. Appl. Phys., 2005, 97, P. 203–270.

31. Sakai K., Tani M. Introduction to Terahertz Pulses. Top. Appl. Phys., 2006, 97, P. 1–31.

32. Bawuah P., Ervasti T., Tan N., Zeitler J.A., Ketolainen J., Peiponen K.-E. Noninvasive porosity measurement of biconvex tablets using terahertz pulses. Int. J. Pharm., 2016, 509 (1–2), P. 439–443.

33. Naftaly M., Tikhomirov I., Hou P., Markl D. Measuring open porosity of porous materials using THz-TDS and an index-matching medium. Sensors, 2020, 20 (11), 3120.

34. Rungsawang R., Geethamma V. G., Parrott E.P.J., Ritchie D.A., Terentjev E.M. Terahertz spectroscopy of carbon nanotubes embedded in a deformable rubber. J. Appl. Phys., 2008, 103 (12).

35. Parrott E.P.J., Zeitler J.A., McGregor J., Oei Shu-Pei, Unalan H.E., Milne W.I., Tessonnier J.-P., Su Dang Sheng, Schlogl R., Gladden L.F. The use of terahertz spectroscopy as a sensitive probe in discriminating the electronic properties of structurally similar multi-walled carbon nanotubes. Advanced Materials, 2009, 21 (38–39), P. 3953–3957.

36. Crawley D., Longbottom C., Wallace V.P., Cole B., Arnone D., Pepper M. Three-dimensional terahertz pulse imaging of dental tissue. J. Biomed. Opt., 2003, 8 (2), P. 303–307.

37. Nazarov M.M., Shkurinov A.P., Kuleshov E.A., Tuchin V.V. Terahertz time-domain spectroscopy of biological tissues. Quantum Electron, 2008, 38 (7), P. 647–654.

38. Plazanet M., Tasseva J., Bartolini P., Taschin A., Torre R., Combes C., Rey C., Michele A.Di., Verezhak M., Gourrier A. Time-domain THz spectroscopy of the characteristics of hydroxyapatite provides a signature of heating in bone tissue. PLoS One, 2018, 13 (8), e0201745.

39. Lee H.-J., Han J.-K., Janakiraman S., Ahn B., Kawasaki M., Langdon T.G. Significance of grain refinement on microstructure and mechanical properties of an Al-3% Mg alloy processed by high-pressure torsion. J. Alloys Compd., 2016, 686, P. 998–1007.

40. Sotelo Martin L. E., Castro R. H. R. Al excess extends Hall-Petch relation in nanocrystalline zinc aluminate. J. Am. Ceram. Soc., 2022, 105 (2), P. 1417–1427.

41. Garet F., Hofman M., Meilhan J., Simoens F., Coutaz J.-L. Evidence of Mie scattering at terahertz frequencies in powder materials. Appl. Phys. Lett., 2014, 105 (3), 031106.


Рецензия

Для цитирования:


Резванова А.Е., Кудряшов Б.С., Пономарёв А.Н., Князькова А.И., Николаев В.В., Кистенёв Ю.В. Композит гидроксиапатит-многостенные углеродные нанотрубки: Исследование пористости методом терагерцовой спектроскопии во временной области. Наносистемы: физика, химия, математика. 2023;14(5):530-538. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2023-14-5-530-538

For citation:


Rezvanova A.E., Kudryashov B.S., Ponomarev A.N., Knyazkova A.I., Nikolaev V.V., Kistenev Yu.V. Composite hydroxyapatite-multi-walled carbon nanotubes: study of porosity by terahertz time domain spectroscopy. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2023;14(5):530-538. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2023-14-5-530-538

Просмотров: 7


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2220-8054 (Print)
ISSN 2305-7971 (Online)