Στην διατριβή αυτή μελετήθηκε εργαστηριακά η δυνατότητα εξαγωγής μεταλλουργικής αλουμίνας από κοιτάσματα καολινών των περιοχών Ραλάκι και Κοντάρο της νήσου Μήλου, όπως και η κατά το δυνατόν αντιμετώπιση των συναφών ζητημάτων που σχετίζονται με την εξαγωγή αυτή. Στα πλαίσια της εν λόγω μελέτης, πέραν της βιβλιογραφικής επισκόπησης του ερευνητικού πεδίου, μελετήθηκε η γεωλογία των περιοχών από τις οποίες προήλθαν τα δείγματα των καολινών τα οποία χρησιμοποιηθήκαν για τα πειράματα διαλυτοποί- ησης και ανάκτησης της περιεχόμενης σε αυτά αλουμίνας. Μελετήθηκε επίσης η ορυκτολογική και γεωχημική σύσταση των δειγμάτων καολινών καθώς και δείγμα του μητρικού τους πετρώματος. Οι καολίνες της περιοχής Κοντάρο (προϊόντα εξαλλοίωσης κυρίως ρυοδακιτικών και ανδεσιτικών λαβών του Ανώτερου Πλειόκαινου) και της περιοχής Ραλάκι (προϊόντα εξαλλοίωσης κυρίως τοφφιτών Μέσου-Ανωτέρου Πλειόκαινου) είναι κυρίως μίγμα των αργιλικών ορυκτών καολινίτη, αλουνίτη (και Νa-αλουνίτη), και χαλαζία σε διάφορες αναλογίες. Σε γενικές γραμμές η εξαγωγική μέθοδος που ακολουθείται για την ανάκτηση της περιεχόμενης στους καολίνες αλουμίνας είναι η υδρομεταλλουργική κατεργασία της συγκεκριμένης ορυκτής πρώτης ύλης, αφορά δε πιο συγκεκριμένα στην χημική προσβολή φρυγμένου στους 730 οC καολίνη με βιομηχανικώς διαθέσιμα ανόργανα οξέα, όπως το υδροχλωρικό, θειικό και νιτρικό οξύ. Σε αυτήν τη συνάφεια μελετήθηκε και η κινητική των αντιδράσεων προσβολής του καολίνη καθώς και οι παράμετροι που την διέπουν. Συμπερασματικά, για τις περιπτώσεις προσβολής του καολίνη με HCl και HNO3 ο παράγοντας ελέγχου ταχύτητας της αντίδρασης φαίνεται να είναι η διάχυση του ένυδρου ιόντος Al+3 ή του συμπλέγματος του αργιλίου από το αντιδρών επιφανειακό διαμέτοπο, ενώ για την περίπτωση προσβολής του καολίνη με H2SO4 ο παράγων ελέγχου ταχύτητας της αντίδρασης είναι η διάχυση του ιόντος του υδρογόνου προς την αντιδρώσα επιφάνεια. Επίσης, η ταχύτητα διαλυτοποίησης του αργιλίου είναι μεγαλύτερη με τη χρήση του HCl οξέος, βραδύτερη με H2SO4 και ακόμη βραδύτερη με HNO3, ενώ η αύξηση της συγκέντρωσης του εκάστοτε οξέος ελάχιστα συμβάλλει στην διαλυτοποίηση του αργιλίου, σε θερμοκρασίες της τάξης των 95 οC και στις χαμηλότερες θερμοκρασίες μάλιστα είχε αρνητικές επιπτώσεις στο ρυθμό της εκχύλισης του αργιλίου στο διάλυμα. Η διαλυτοποίηση του τιτανίου είναι σχεδόν αμελητέα και αντιστοιχεί στο <10% εκείνης που περιέχεται στο φρυγμένο καολίνη. Μελετήθηκε ακόμα η απομάκρυνση του σιδήρου, από το προκύψαν ένυδρο αργιλούχο (μεταλλοφόρο) διάλυμα, με τη μέθοδο εξαγωγής δι’ οργανικού διαλύτη (SX) – μέσω της χρήσης τεταρτοταγών αμινών. Η απομάκρυνση του περιεχομένου στο διάλυμα HCl σιδήρου, με τη μέθοδο οργανικού διαλύτη εξετάσθηκε με διάφορες αμίνες. Οι οργανικοί διαλύτες: κοκο αμμωνιακό χλωρίδιο μεθυλο-πολυοξυαιθυλένιου και δι-τεταρτοταγές αμμωνιακό άλας του τολουολο-στεαρικού οξέος απομάκρυναν το 100% και το 92.08% του περιεχόμενου στο μεταλλοφόρο διάλυμα σιδήρου αντιστοίχως. Τελικώς προτείνεται ολοκληρωμένο σχέδιο διαγράμματος ροής για την παραγωγή αλουμίνας (Al2O3) υψηλής ποιότητας, η οποία θα είναι κατάλληλη για την αναγωγική διαδικασία. / This dissertation study concerns a laboratory investigation of metallurgical grade alumina extraction from the kaolin ore deposits of the Ralaki and Kontaro regions of the island of Milos and the attempted resolution of the maters related to this extraction. Within the framework of this present study, and after the bibliographic / literature survey of the research topic, the geology of the area, from which the samples (that were used for the dissolution experiments for the removal of alumina) originated, was studied. The mineralogical and geochemical composition of the kaolin samples was also studied, along with a sample of the parent rock. The kaolins of the Kontaro region (alteration products of upper Pliocene rhyodacite and andesitic lavas) and of the Ralaki region (alteration products of mid-upper Pliocene tuffs) are a mixture of well crystallized kaolinite, alunite (including Na-alunite) and quartz in varying quantities. In general, the extraction methodology which was followed, for the recovery of the alumina which is contained in the kaolin samples, was a hydrometallurgical process that specifically involved the chemical attack of the calcined kaolin mater (fired at 730 οC) with redily available industrial acids, namely hydrochloric, sulfuric and nitric. In relation to this the reaction kinetics for the kaolin attack and the related parameters were also studied. The experimental results verified the fact that in the case of kaolin dissolution with hydrochloric and nitric acid the reaction controlling factor appears to be the diffusion of the hydrous Al+3 ion or the aluminium complex from the reacting surface layer, while in the case of the sulphuric acid the reaction controlling factor appears to be the diffusion of the hydrogen ion towards the reacting surface. It was also verified that the rate of dissolution of aluminium is greater with hydrochloric acid, slower with sulphuric and very slow with nitric. Increase of the acid concentration does not appear to contribute to the aluminium dissolution and, in the case of temperatures of the order of 95 οC or lower it had a detrimental effect upon the leaching rate of the aluminium into solution. The presence of titanium ions into solution is negligible and corresponds to less than ten percent of that contained into the kaolin feed material. The removal of iron ions from the pregnant solution using a solvent extraction method was also studied. A number of experimental attempts were made to determine the amenability of some industrially available quaternary amine solvents for the successful removal of the iron ions from the solution. Two organic solvents were successful in removing to the organic phase nearly one hundred percent of the contained in the solution iron, leaving behind a nearly free of iron solution. Finally, a comprehensive process flowsheet, for the production of metallurgical grade alumina from the Ralaki and Kontaro kaolin composite raw material, suitable for the electrolytic circuit, is proposed.

- / -

Οι μονοδιάστατες μεταλλικές νανοδομές, όπως νανοσύρματα και νανοσωλήνες, έχουν ελκύσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας τα τελευταία χρόνια λόγο του σημαντικού ρόλου που παίζουν στην κατασκευή νανοσυσκευών, όπως ανιχνευτές, ηλεκτρονικά και οπτικά συστήματα και συστήματα αποθήκευσης πληροφορίας. Μια απλή και αποτελεσματική τεχνική για την κατασκευή μεγάλου αριθμού νανοσυρμάτων και νανοσωλήνων με μεγάλη αναλογία μήκους προς διάμετρο είναι η ονομαζόμενη «σύνθεση μήτρας», η οποία βασίζεται στην ηλεκτροχημική εναπόθεση μετάλλου μέσα στους πόρους κατάλληλου υλικού το οποίο λειτουργεί σαν μήτρα. Η πορώδης αλουμίνα είναι ένα υλικό που χρησιμοποιείται ευρέως για τον σκοπό αυτό λόγο της χημικής και μηχανικής της σταθερότητας και της αντοχής της σε υψηλές θερμοκρασίες. Επίσης, τα γεωμετρικά της χαρακτηριστικά μπορούν να ελέγχουν εύκολα κατά την διάρκεια της διαδικασίας παρασκευής της. Στην εργασία περιγράφεται η διαδικασία κατασκευής μεμβρανών πορώδους αλουμίνας με εξαγωνική κατανομή πόρων, ανοιχτών και στις δύο επιφάνειες και με συγκεκριμένα γεωμετρικά χαρακτηριστικά. Για να κατασκευασθούν οι μήτρες οι οποίες θα χρησιμοποιηθούν στην ηλεκτροεναπόθεση και για άλλες εφαρμογές εξήχθη η σχέση μεταξύ του ρυθμού ανάπτυξης της μεμβράνης πορώδους αλουμίνας και των παραμέτρων της ανοδίωσης (πυκνότητα ρεύματος, θερμοκρασία) για ανοδίωση σε υδατικό διάλυμα με περιεκτικότητα 0.3Μ οξαλικό οξύ. Επιπλέον, μελετήθηκε ο απαραίτητος χρόνος για την διάλυση του συμπαγούς διαχωριστικού στρώματος (barrier layer) της πορώδους αλουμίνας με την χρήση υδατικού διαλύματος 5%wt. φωσφορικού οξέος. Τέλος, στην εργασία αυτή μελετήθηκε η ανάπτυξη νανοσυρμάτων νικελίου σε πορώδης αλουμίνα με μέση διάμετρο πόρων 240nm. Για την καλύτερη κατανόηση των μηχανισμών ανάπτυξης των νανοσυρμάτων μελετήθηκε η σχέση της κρυσταλλογραφικής δομής των νανοσυρμάτων με την εφαρμοζόμενη τάση κατά την ανάπτυξη τους με την χρήση της τεχνικής dc ηλεκτροεναπόθεσης. Κατά την μελέτη αυτή αναπτύχθηκαν μονοκρυσταλλικά νανοσύρματα νικελίου προσανατολισμένα κατά την διεύθυνση [110] και πολυκρυσταλλικά νανοσύρματα με ισχυρό προσανατολισμό κατά την διεύθυνση [111]. / One-dimensional metallic nanostructured materials, like nanowires and nanotubes, have attracted extensive attention in recent years because of their importance in the fabrication of nanometer-scale devices such as sensors, electronics, and optics and information storage systems. A simple and effective technique to fabricate large number of metallic nanowires and nanotubes with high aspect ratio is the so called “template synthesis”, which involves electrochemically depositing metal into nanopores of a suitable material used as a template. Porous alumina membrane is a commonly used material for this purpose because of its chemical and mechanical stability and durability at high temperatures. Moreover, its geometrical characteristics are easily controlled during the fabrication process. In this work the fabrication process of free- standing porous alumina membranes with highly organized hexagonal structure and with specific geometrical characteristics is described. In order to fabricate templates for use in electrodeposition and other applications the dependence relation between the thickness growth rate and the anodization parameters (current density and temperature) for anodization in aqueous solution of 0.3M oxalic acid was derived. Furthermore, the time needed for barrier layer dissolution of porous alumina membrane with the use of hydrate solution of 5%wt. phosphoric acid. Finally, nickel nanowires were fabricated inside porous alumina membranes with mean pore diameter of 240nm. For better understanding of the nanowires growth mechanism the dependence of the crystal structure of nickel nanowire fabricated with dc electrodeposition from the applied voltage was studied. As a result, single crystal nickel nanowires oriented along [110] and polycrystalline nickel nanowires with a strong orientation along [111] have been fabricated.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της ροής υγρών μέσω νανοπορώδων μεμβρανών που φέρουν προσροφημένα συσταδικά συμπολυμερή διαφόρων μοριακών βαρών υπό συνθήκες ροής με καλό διαλύτη (τολουένιο) καθώς και με μίξη διαλυτών καλού και κακού όπως είναι το τολουένιο και το κυκλοεξάνιο αντιστοίχως. Μελετήθηκαν δύο κατηγορίες συμπολυμερών δισυσταδικά και τα τρισυσταδικά συμπολυμερή. Η πρώτη κατηγορία αναφέρεται στα polystyrene-b-polyethylene oxide (PS-PEO) δισυσταδικά συμπολυμερή διαφόρων μοριακών βαρών. Τα μοριακά βάρη που μελετήσαμε ήταν το 32.000, 70.500, 80.000, 147.000, 182.700, 184.000 , 239.000 και 322.000 g/mol. Το πρωτόκολλο που ακολουθήθηκε περιλαμβάνει τα παρακάτω βήματα: αρχικά μέτρηση της γυμνής μεμβράνης στο φασματοφωτόμετρο FTIR και μετά έλεγχος σε ροή με διαλύτη τολουένιο. Στη συνέχεια έγινε η τοποθέτηση της μεμβράνης σε διάλυμα του εκάστοτε πολυμερούς στο τολουένιο, Το τουλουένιο επιλέχτηκε διότι είναι καλός διαλύτης προς την συστάδα PS. Η μεμβράνη παρέμεινε στο διάλυμα για κάποιο χρονικό διάστημα της τάξεως ημερών έτσι ώστε να επιτευχθεί η διαδικασία της φυσιοπροσρόφησης. Λόγω του ότι το τουλουένιο αποτελεί κακό διαλύτη για το PEO έχουμε αγκύστρωση των πολυμερικών βουρτσών PEO στα κυλινδρικά τοιχώματα της νανοπορώδους μεμβράνης. Αφού πραγματοποιηθεί μέτρηση του υπέρυθρου φάσματος της μεμβράνης για να τεκμηριωθεί η προσρόφηση του πολυμερούς, ακολούθως γινόταν προσαρμογή της προσροφημένης μεμβράνης στην διάταξη και ροή με διαλύτη τολουένιο. Με χρήση του νόμου του Poiseuille βρίσκεται το πάχος των πολυμερικών βουρτσών, υπολογίζοντας έτσι κατά πόσο οι πολυμερικές βούρτσες με την εισχώρηση του διαλύτη από τους πόρους εκτείνονται κάθετα της επιφάνειας που έχουν προσροφηθεί. Τέλος με χρήση του φασματοφωτόμετρου FTIR και πάλι γινόταν έλεγχος εάν έχει γίνει αποκόλληση των πολυμερικών βουρτσών από τα τοιχώματα της μεμβράνης λόγω της ροής. Επίσης πραγματοποιήθηκε η μελέτη της συμπεριφοράς κάποιων από αυτά τα συμπολυμερή σε μίγμα διαλυτών τολουολίου και κυκλοεξανίου. Ακολουθώντας την ίδια διαδικασία όπως προηγουμένως αλλάζοντας μόνο το στάδιο της ροής, ο έλεγχος σε αυτή την περίπτωση ξεκινούσε από 100% τολουένιο, 70% τολουένιο-30% κυκλοεξάνιο, 50%τολουένιο – 50%κυκλοεξάνιο ,30% τολουένιο – 70 % κυκλοεξάνιο και καταλήγαμε με 100% κυκλοεξάνιο. Ελεγχόταν έτσι η απόκριση των πολυμερικών βουρτσών κατά την εναλλαγή του διαλύτη. Με χρήση του νόμου του Poiseuille μπορούσε να υπολογισθεί το πάχος των πολυμερικών βουρτσών και να προσδιορισθεί κατά πόσο μετά το τέντωμα τους από την επαφή τους με τον καλό διαλύτη το τολουένιο, συρρικνώνονται όταν έρχονται σε επαφή με τον κακό διαλύτη το κυκλοεξάνιο. Στην δεύτερη κατηγορία ανήκουν τα τρισυσταδικά συμπολυμερή . Τα τρισυσταδικά πολυμερή που μελετήσαμε ήταν το polyvinyl-2-pyridine-b-polystyrene-b- polyvinyl-2-pyridine (PV2P-PS-PV2P) 30K-180K-30K, το PEO-PS-PEO 18.6K-45.2K-18.6K και το PEO-PS-PEO 2.3K-16.7K-2.3K. Ακολουθώντας το ίδιο πρωτόκολλο πειραματικής διαδικασίας όπως στα δισυσταδικά συμπολυμερή, έγινε η μελέτη της συμπεριφοράς των τρισυσταδικών συμπολυμερών σε ροή με τουλουένιο, το οποίο αποτελεί καλό διαλύτη προς την μια συστάδα (PS) του συμπολυμερούς. Τα τρισυσταδικά συμπολυμερή κατά την διαδικασία της φυσιοπροσρόφησης, δηλαδή της αγκίστρωσης των πολυμερικών βουρτσών μέσω των συστάδων PEO και PV2P στα κυλινδρικά τοιχώματα της νανοπορώδους μεμβράνης παρουσιάζουν τον σχηματισμό βρόχου (loop) . Στην συνέχεια γινόταν τοποθέτηση της μεμβράνης στην διάταξη και ο έλεγχος σε ροή με διαλύτη τολουένιο όπως και στην περίπτωση των δισυσταδικών συμπολυμερών. Τέλος με την χρήση του φασματοφωτόμετρου FTIR γινόταν έλεγχος εάν έχει γίνει αποκόλληση των πολυμερικών βουρτσών από τα τοιχώματα της μεμβράνης. Το πάχος της προσροφημένης βούρτσας υπολογιζόταν με χρήση του νόμου του Poiseuille όπως και με τα δισυσταδικά συμπολυμερή. / -

Μελέτη με μετρήσεις ανακλαστικότητας ακτίνων-Χ προσρόφησης μορίων μικρού σχετικά μήκους (~ 2 nm) εντός πορώδους υμενίου αλουμίνας. Σκοπός της εργασίας είναι να διερευνηθεί καταρχήν η δυνατότητα της τεχνικής της ανακλαστικότητας να δώσει πληροφορίες για πορώδη υμένια, υμένια δηλαδή που η επιφάνειά τους παρουσιάζει μεγάλη τραχύτητα και κατόπιν να μελετηθεί η διείσδυση εντός των πόρων μορίων μικρού σχετικά μήκους. / Study with measurements of X-ray reflectivity, small molecules adsorption on length (~ 2 nm) in porous alumina film. The purpose of this paper is to explore the possibility of the reflectivity technique to provide information for porous films, films that the surface roughness is highly and then studied the penetration of molecules within the resources of a relatively small length.

Στην παρούσα εργασία μελετάται πειραματικά η ανάπτυξη μεμβρανών πορώδους αλουμίνας με ελεγχόμενο πάχος, διάμετρο πόρου, σε ηλεκτρολύτη οξαλικού οξέος συγκεντρώσεως 0.3Μ με εφαρμοζόμενη τάση 40V και 50V. Για την κατανόηση του μηχανισμού της δημιουργίας των μεμβρανών πορώδους αλουμίνας γίνεται μια βιβλιογραφική παρουσίαση των μοντέλων ανάπτυξης της. Από τα πειράματα προκύπτει ότι ο ρυθμός ανάπτυξης του πάχους της μεμβράνης ακολουθεί τον νόμο του Faraday με απόδοση που εξαρτάται από την τάση ανοδίωσης. Τέλος υπολογίζεται η ενέργεια ενεργοποίησης για την αντίδραση του σχηματισμού της πορώδους αλουμίνας. Η ενέργεια ενεργοποίησης που αφορά την αντίδραση του αλουμινίου με τον ηλεκτρολύτη. / Ιn the present study, the synthesis of porous alumina membranes with controlled thickness and pore diameter is investigated. More specifically, the experimental condition under study was oxalic acid 0.3M under an applied voltage of 40V and 50V. In order to understand the growth mechanism of the porous alumina membrane formation, a bibliographic view of the growth models is presented. The experiments result in the conclusion that the thickness growth rate of the porous alumina membrane obeys the Faraday law for electrolysis with an efficiency being dependent on the anodization applied voltage. Finally, the activation energy for the porous alumina formation concerning the reaction of aluminum with the electrolyte, is calculated.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη της πειραματικής Μεθόδου Διέγερσης Επιφανειακών Πλασμονίων (Surface Plasmon Resoanance, SPR) για τη μελέτη διεπιφανειακών φαινομένων και ειδικότερα των ιδιοτήτων ισορροπίας και της κινητικής της προσρόφησης πολυμερών και ολιγομερών στη διεπιφάνεια υγρού / στερεού. Στα πλαίσια της διατριβής, κατασκευάσθηκε εξ’ αρχής πειραματική διάταξη συντονισμού επιφανειακών πλασμονίων, η οποία χρησιμοποιήθηκε για την μελέτη του φαινομένου της προσρόφησης. Παράλληλα αναπτύχθηκε θεωρητικό υπόδειγμα και υπολογιστικά εργαλεία ανάλυσης των πειραματικών μετρήσεων. Με τη χρήση της πειραματικής διάταξης μελετήθηκε η διαδικασία της προσρόφησης γραμμικών και αστεροειδών πολυμερών στη διεπιφάνεια υγρού / στερεού όπως επίσης και τασιενεργών ολιγομερών τα οποία σχηματίζουν Αυτό-οργανούμενα Μονομοριακά Στρώματα (Self Assembled Monolayers) σε επιφάνειες οξειδίου του αλουμινίου. Επιπλέον διερευνήθηκε η επίδραση της αρχιτεκτονικής των πολυμερικών αλυσίδων σε σχέση με την ικανότητά τους να αυτο-οργανώνονται σε στρώματα πολυμερικών ψηκτρών (polymer brushes). Τα πειραματικά αποτελέσματα συγκρίνονται με μετρήσεις οι οποίες έγιναν με τη μέθοδο ανάκλασης νετρονίων. Για την κατανόηση των μικροσκοπικών μηχανισμών που υπεισέρχονται κατά την αυτό-οργάνωση των πολυμερών, γίνεται χρήση θεωρητικών υποδειγμάτων κλίμακας και υπολογιστικών προσομοιώσεων Monte Carlo. Περαιτέρω, μέσω της χρήσης λεπτών στρωμάτων νανο-πορώδους αλουμίνας, προτείνεται μια νέα παραλλαγή της μεθόδου διέγερσης επιφανειακών πλασμονίων η οποία όπως αποδεικνύεται, αυξάνει την ευαισθησία της μεθόδου κατά μια τάξη μεγέθους, στην περίπτωση της ανίχνευσης της προσρόφησης ολιγομερών. Η διατριβή παρουσιάζει ολοκληρωμένα τη χρήση της μεθόδου διέγερσης επιφανειακών πλασμονίων για την αναλυτική μελέτη της προσρόφησης μορίων σε επιφάνειες. Η επέκταση της μεθόδου με τη χρήση νανο-δομημένων υλικών ανοίγει τον δρόμο για πλειάδα νέων εφαρμογών στο πεδίο της ανίχνευσης προσροφημένων μορίων από διαλύματα ιδιαίτερα χαμηλών συγκεντρώσεων. / The objective of the present PhD thesis is the development of the experimental Surface Plasmon Resonance (SPR) method, for the study of interfacial phenomena such as the equilibrium properties and kinetics of polymer and oligomer adsorption at the liquid / solid interface. For the purposes of this work a custom-made experimental apparatus has been build and used for the acquisition of SPR experimental results. A theoretical model and various computational tools were also developed for the analysis of the experimental data. With the aid of this apparatus, the adsorption process of linear and star-like polymers at the liquid / solid interface was studied together with the self-assembly of functional oligomer monolayers on alumina surfaces. In addition, the effect of different chain structure (molecular architecture) on the formation of polymer brush layers was investigated. The experimental results are compared with measurements by neutron reflectivity experiments. For the investigation of the microscopic mechanisms that are involved in the polymer self-assembly, scaling theoretical calculations and Monte Carlo computer simulations were performed. Furthermore, by the use of thin nano-porous alumina films, a new variation of the SPR method is proposed. It is demonstrated, that this improved method is characterized by over one order of magnitude higher sensitivity in the case of the detection of adsorbed oligomers. The present thesis describes in detail the use of the SPR method for the analytical study of molecular adsorption on surfaces. The improvement of the SPR technique by the use of nano-structured materials opens new prospects for many new applications in the field of molecular detection in very dilute solutions.

Ένας συναρπαστικός τομέας της σύγχρονης έρευνας είναι αυτός των νάνο-συνθέτων υλικών. Το πεδίο αυτό περιλαμβάνει τη μελέτη πολυφασικών υλικών, στα οποία μία ή περισσότερες από τις χωρικές διαστάσεις κάποιας φάσης βρίσκεται στην περιοχή των νανομέτρων (1 nm = 10-9 m = 10 ). Αυτό που ξεχωρίζει τα νανοσύνθετα από τα άλλα συμβατά σύνθετα υλικά είναι η ικανότητα τους να συνδυάζουν ιδιότητες, οι οποίες είναι απαγορευτικές για τα παραδοσιακά υλικά, αλλά και η μεγάλη λειτουργικότητα που παρουσιάζουν. Η εισαγωγή των νάνο-σύνθετων υλικών και οι πολλές επιστημονικές μελέτες που έγιναν τα τελευταία χρόνια στόχευαν και προσδοκούσαν σε μία δραματική βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων, πράγμα που πολλές φορές δεν επαληθεύθηκε. Τα νάνο-σύνθετα πολυμερικής μήτρας των οποίων η θερμομηχανική συμπεριφορά μελετήθηκε περισσότερο είναι τα συστήματα που περιέχουν ως εγκλείσματα νάνο-σωλήνες άνθρακα (carbon nanotubes), νάνο-σωματίδια αλούμινας και στρωματικά άλατα πυριτίου (layered silicates). Στις μέρες μας υπάρχει ένα αυξανόμενο ενδιαφέρον για τη μελέτη της διηλεκτρικής συμπεριφοράς και αγωγιμότητας των νάνο-σύνθετων πολυμερικής μήτρας - ανόργανων νάνο-εγκλεισμάτων. Στην παρούσα εργασία εξετάσθηκε η διηλεκτρική απόκριση των συστημάτων: (α) πολυμερικής μήτρας (polyurethane rubber, PU) και νάνο-σωματιδίων αλούμινας (alumina- boehmite), (β) πολυμερικής μήτρας (PU ή Natural Rubber, NR ή PU/NR) με στρωματικά άλατα πυριτίου (layered silicates), με παραμέτρους την περιεκτικότητα σε νανοεγκλείσματα, τη θερμοκρασία και τη συχνότητα του εφαρμοζόμενου πεδίου. Η διηλεκτρική φασματοσκοπία (Broadband Dielectric Spectroscopy) έχει αποδειχθεί ως ένα ισχυρό εργαλείο για την έρευνα της μοριακής κινητικότητας, των αλλαγών φάσεων, τους μηχανισμούς αγωγιμότητας και τα διεπιφανειακά φαινόμενα στα πολυμερή και τα σύνθετα πολυμερικά συστήματα. Η διηλεκτρική απόκριση των νάνο-συνθέτων εξετάστηκε με τη βοήθεια της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας (BDS) στο εύρος συχνοτήτων 10-1-10 6 Hz και στο εύρος θερμοκρασιών από -100οC έως +70οC. Από τα πειραματικά αποτελέσματα προκύπτει πως παρατηρούνται διηλεκτρικές χαλαρώσεις που οφείλονται τόσο στην πολυμερική μήτρα, όσο και στην ενισχυτική φάση. Τέσσερις διακριτοί τρόποι χαλάρωσης καταγράφηκαν στα φάσματα των συστημάτων που μελετήθηκαν και αποδίδονται στη διεπιφανειακή πόλωση (IP) μήτρας/εγκλεισμάτων, στην υαλώδη μετάβαση (α-mode) των πολυμερών NR και PU, στην κίνηση πλευρικών πολικών ομάδων (β-mode) των αλυσίδων του PU και σε τοπικές κινήσεις εύκαμπτων τμημάτων των αλυσίδων του PU (γ–mode). Στο σύστημα πολυουρεθάνης (PU)–νάνο-σωματιδίων αλούμινας ερευνήθηκε η επίδραση του μέσου μεγέθους των σωματιδίων στην ηλεκτρική απόκριση των υλικών. Από τα αποτελέσματα φαίνεται πως η μείωση του μέσου μεγέθους των νάνο-εγκλεισμάτων οδηγεί σε αύξηση της διεπιφάνειας και των αντίστοιχων φαινομένων που τη συνοδεύει. Τέλος, από τη θερμοκρασιακή εξάρτηση της θέσεως των κορυφών διηλεκτρικών απωλειών, κάθε διεργασίας, προσδιορίστηκαν οι αντίστοιχες ενέργειες ενεργοποίησης. / The impact of nano-materials and nano-structured materials is well known in our days. Nano-composites consists an exciting modern field of scientific research. Nano-composites are multiphase materials where at least one of the dimensions of the reinforcing phase is in nano-scale. The main difference of nano-composites with compatible composites is their ability to achieve superior performance at a very low concentration of the filler. The majority of the active or potential applications of nano-systems is based on their thermo-mechanical behaviour, flame resistance and electrical properties. Under this point of view nano-composites exhibit properties or functions, which seem to be prohibited for traditional materials. Recently, there is an increased interest in studying the dielectric behaviour of polymer matrix – inorganic nano-filler composites. Polymer matrix nano-composites are expected to be useful in replacing conventional insulating materials providing tailored performance, by simply controlling the type and the concentration of nano-inclusions. In the present study is investigated the dielectric behaviour of composites consisted of a polymer matrix and inorganic nano-filler. Natural rubber (NR) and polyurethane rubber (PU) as well as their blend are used as matrices. Nano-composites were prepared by adding synthetic layered silicates (LS) via the latex compounding route. Further, the dielectric response of polyurethane rubber – alumina particles nano-composites, varying the mean particle diameter, is also examined. The dielectric properties of all systems are studied with parameters the temperature and the frequency of the applied field. Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS) has been proved to be a powerful tool for the investigation of molecular mobility, phase changes, conductivity mechanisms and interfacial effects in polymers and complex systems. The dielectric response of nano-composites was examined by means of Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS) in the frequency range10-1-106 Hz and temperature interval from -100 o C to +70 o C. Experimental results include relaxation phenomena arising from both the polymeric matrix and the filler. Four distinct relaxation modes were recorded in the spectra of all systems containing PU. They were attributed to interfacial polarization, glass transition (α-relaxation), motion of polar side groups and probably motions of the (CH2)n sequence of the PU chain (β and γ-relaxation). NR is a non polar polymer and thus only its glass/rubber transition is recorded in the low temperature range. Interfacial polarization is present in all composites systems. The dielectric response of polyurethane/boehmite alumina nano-composites was examined with an additional parameter, the size of the mean boehmite particle diameter. In order of ascending relaxation rate the following modes were recorded: interfacial polarization, glass/rubber transition (α-mode), motion of polar side groups (β-mode) and re-arrangements of small parts of the PU chain (γ-mode). The intensity and the position of these relaxations appear to vary with the size of the nano-filler. Finally, the activation energies of all the recorded processes were determined via the loss peak dependence on temperature.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετάται η ανάπτυξη λεπτών υμενίων πορωδών ανοδικών οξειδίων του αλουμινίου (αναφέρονται και ως πορώδης ανοδική αλουμίνα) σε υπόστρωμα πυριτίου. Επιπλέον, εξετάζεται η ανάπτυξη εφαρμογών που αφορούν τη χρήση της πορώδους αλουμίνας ως μάσκα και ως μήτρα για την δημιουργία νανονημάτων ή κβαντικών τελειών (νανονησίδων) στο Si. Το πρώτο κεφάλαιο πραγματεύεται τη θεωρία και τους μηχανισμούς που διέπουν την ανάπτυξη πορωδών υμενίων, που προέρχονται από ανοδική οξείδωση (ανοδίωση) τόσο φύλλων αλουμινίου, όσο και υμενίων αλουμινίου σε υπόστρωμα πυριτίου. Επιπροσθέτως, παρατίθεται ο ρόλος που διαδραματίζουν οι ηλεκτροχημικές συνθήκες ανοδίωσης, όπως το pH, η θερμοκρασία και η εφαρμοζόμενη τάση, στα τελικά δομικά χαρακτηριστικά των πορωδών υμενίων. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα τεχνολογικά βήματα διεργασιών που αφορούν την προετοιμασία των δειγμάτων τα οποία πρόκειται να ανοδιωθούν, και δίνονται λεπτομέρειες για την πειραματική διάταξη η οποία χρησιμοποιείται κατά την ανοδίωση. Στο τρίτο κεφάλαιο μελετώνται εκτενώς, τρεις παράγοντες που έχουν σημαντική επίδραση στα τελικά δομικά χαρακτηριστικά των πορωδών υμενίων. Κατά τους δύο πρώτους, εξετάζεται η επίδραση του πάχους του προς ανοδίωση υμενίου αλουμινίου πάνω στο Si, καθώς και ο περιορισμός του σε επιφάνειες μερικών τετραγωνικών μικρομέτρων πάνω στο Si, στο μέγεθος και την πυκνότητα των πόρων. Ο τρίτος παράγοντας αφορά το ρόλο της ανοδίωσης του υμενίου του αλουμινίου σε δύο και τρία στάδια σε συνδυασμό με τη χημική εγχάραξή του μετά από κάθε στάδιο ανοδίωσης, στην ανάπτυξη εξαγωνικής συμμετρίας στην κατανομή των πόρων. Το τέταρτο κεφάλαιο, πραγματεύεται την ανάπτυξη εφαρμογών που συνδέονται με τη χρήση της πορώδους αλουμίνας ως μάσκα και ως μήτρα για τη δημιουργία νανοδομών επάνω στο πυρίτιο. Ως εκ τούτου παρουσιάζεται η δημιουργία νανονησίδων Cr, Ti, νανοστηλών Si, και νανονημάτων Au, πάνω στο Si, εφαρμογές στις οποίες τα πορώδη ανοδικά υμένια χρησιμοποιήθηκαν ως ενδιάμεσο στάδιο. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρατίθεται η ανάπτυξη διαμέσου της πορώδους αλουμίνας, εξαγωνικά διατεταγμένων νανονησίδων SiO2 στο Si. Επίσης, παρουσιάζεται ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός διατάξεων οι οποίες αποτελούνται από την εν λόγω δομή. Σε ένα επιπλέον βήμα, οι νανονησίδες SiO2 χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη νανοκρυσταλλιτών Si στο εσωτερικό τους μέσω της τεχνικής της ιοντικής σύνθεσης. Τα σημαντικότερα αποτελέσματα και συμπεράσματα που προέκυψαν από την εκπόνηση της παρούσας διδακτορικής διατριβής συνοψίζονται στα εξής: • Βελτίωση της εξαγωνικής συμμετρίας στην κατανομή των πόρων, μέσω ανοδίωσης σε δύο ή τρία στάδια σε συνδυασμό με χημική εγχάραξη του προς ανοδίωση αλουμινίου έπειτα από κάθε στάδιο ανοδίωσης. • Αύξηση της πυκνότητας των πόρων των ανοδικών υμενίων κατά μία τάξη μεγέθους, με περιορισμό του προς ανοδίωση αλουμινίου σε προεπιλεγμένες περιοχές στο Si, επιφάνειας μερικών τετραγωνικών μικρομέτρων. • Ανάπτυξη διατεταγμένων νανοδομών Ti και Cr σε υπόστρωμα Si χρησιμοποιώντας λεπτά υμένια πορώδους αλουμίνας πάνω σε Si. Ιδιαίτερα οι δομές Cr, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως μεταλλική νανοδομημένη μάσκα για την εγχάραξη με ενεργά ιόντα του υποστρώματος Si και τη δημιουργία νανοστηλών Si πάνω σε αυτό. Η δημιουργία νανοστηλών Si, βρίσκει πληθώρα εφαρμογών στη Νανοηλεκτρονική, σε αισθητήρες, Nανοφωτονική, μνήμες κ.τ.λ. • Οι πυκνότητες διεπιφανειακών καταστάσεων που προέκυψαν από τον ηλεκτρικό χαρακτηρισμό της διεπιφάνειας υμενίων πορώδους αλουμίνας με το πυρίτιο, και της διεπιφάνειας πορώδους αλουμίνας – νανονησίδων SiO2 με το πυρίτιο. Οι τιμές που υπολογίστηκαν είναι ενθαρρυντικές, αν ληφθεί υπόψη ο ηλεκτροχημικός τρόπος παρασκευής των εν λόγω σύνθετων υμενίων πάνω στο πυρίτιο. • Ανάπτυξη μεμονωμένων νανοκρυσταλλιτών Si ενσωματωμένων σε νανονησίδες SiO2. Για το σκοπό αυτό συνδυάστηκαν δύο διαφορετικές τεχνολογίες, εκείνη της ιοντικής σύνθεσης και εκείνη της ανάπτυξης νανονησίδων SiO2 διαμέσου λεπτών υμενίων πορώδους αλουμίνας απευθείας σε υπόστρωμα Si. Τέτοιες δομές νανοκρυσταλλιτών έχουν εφαρμογές σε διατάξεις μη πτητικών μνημών, όπου η κατανεμημένη αποθήκευση φορτίου στους νανοκρυσταλλίτες ευνοεί τη χρήση λεπτότερων οξειδίων πύλης και τη δυνατότητα σμίκρυνσης του πάχους των οξειδίων αυτών χωρίς να μειώνεται ο χρόνος αποθήκευσης φορτίου. / In the present thesis, the growth of porous anodic alumina films on Si substrate was studied extensively. Potential applications of porous anodic alumina films formed directly on Si, regarding the use of porous membranes as mask or template for various nanostructures growth directly on Si, are discussed. Chapter one deals with the theory and mechanisms governing porous anodic alumina film growth, either on porous anodic films formed by anodization of aluminum foils, or on porous anodic films developed on Si substrates. Additionally, the effect of different factors (pH, temperature, applied voltage) on the final structural characteristics is presented. In chapter two, the preliminary processing steps regarding sample preparation before the anodization procedure are quoted. Moreover, details about the experimental set-up and the electrochemical conditions used during the sample anodization in the current work are given. In chapter three, the influence of three different factors, in the final structural characteristics, is investigated. Primarily, the impact of the initial aluminum thickness deposited on Si substrate, and secondly the confinement of the aluminum film in areas of a few μm2, in the pore size and pore density are studied. Finally, the influence of the third factor is associated with a three-step instead of a two-step anodization, in combination with an in-between step of aluminum chemical etching, on the ordering and the uniformity of the pores. The deposition of Ti and Cr nanodots arrays on Si, using the porous alumina membrane as a masking layer, is investigated in chapter four. Furthermore, the Ti nanodots are used for the electrodeposition of Au nanodots and nanowires inside the porous alumina films. Additionally, the Cr dots are used as metallic nanostructured mask for the Si etching by reactive ion etching process, that leads to the formation of Si nanopillars on Si substrate. In chapter five the growth of hexagonally ordered SiO2 dots on Si through porous anodic alumina membranes, in various acidic electrolytes, is studied. Moreover, the electrical characterization of the interface of porous alumina film/Si and porous alumina film with SiO2 dots in pore bottoms/ Si is presented. Finally, in the present thesis the technology of fabrication of Si nanocrystals embedded in SiO2 dots arrays through porous alumina membranes on Si substrate is developed for the first time. This was achieved by the combination of ion beam synthesis with the already existing technology of porous anodic alumina growth on Si substrates. The nanocrystals are electrically isolated from the substrate. This technique is promising as an application in non-volatile memory devices. The main achievements accomplished through this study are summarized as follows: • The optimization of pores ordering by developing the porous alumina membrane in two or three processing steps in combination with the chemical etching of Al film, lying above the porous membrane, following each anodization cycle. • The increase of porous density by the confinement of porous alumina film in areas of a few μm2 on Si. • The development of Ti, Cr and nanodots arrays, directly on Si, through porous alumina membranes. The use of Cr nanodots as nanostructured masking layer for the formation of Si nanopillars, formed by etching of Si substrate with RIE, on Si. • The density of interface stages results from the electrical characterization of porous alumina with or without SiO2 dots at each pore bottom, with the Si substrate. The results are encouraging, keeping in mind that the pore membranes and SiO2 dots were electrochemically grown directly on Si substrate. • The development of distinct Si nanocrystalls, embedded in SiO2 dots, combining for the first time two different technologies, that is the fabrication of porous anodic alumina films directly on Si substrate, as well as the ion beam synthesis technique. The proposed technique is promising for the fabrication of non-volatile memory devices.

Στόχος της διδακτορικής αυτής διατριβής ήταν η ανάπτυξη μιας μεθόδου παραγωγής νανοσωλήνων άνθρακα η οποία στηρίζεται στη χημική απόθεση ατμών, χρησιμοποιώντας ως πηγή του άνθρακα ενώσεις σε υγρή μορφή, όπως οι αλκοόλες. Επιπρόσθετα μελετήθηκαν διάφορες παράμετροι της πειραματικής διαδικασίας (πηγή άνθρακα, θερμοκρασία απόθεσης, είδος και συγκέντρωση μετάλλου και υποστρώματος, παρουσία υδρογόνου κ.ά), τόσο ως προς την επίδρασή τους στο ρυθμό εξέλιξης της διεργασίας, όσο και ως προς το είδος των παραγόμενων προϊόντων, με σκοπό τη στοχευμένη παραγωγή νανοσωλήνων άνθρακα με συγκεκριμένες ιδιότητες. Η κύρια πειραματική διάταξη αποτελούνταν από έναν θερμοβαρομετρικό αντιδραστήρα, ο οποίος επέτρεπε τη συνεχή μέτρηση των μεταβολών του βάρους του δείγματος σε συνάρτηση με το χρόνο, ενώ και φασματογράφος μάζας ήταν συνδεδεμένος στην έξοδο του αντιδραστήρα για να μελετηθεί η αέρια φάση των αντιδράσεων. Τα προϊόντα προκειμένου να πιστοποιηθούν ως προς το είδος των νανοσωλήνων που παρήχθησαν, χαρακτηρίστηκαν με τη βοήθεια ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) και διερχόμενης δέσμης (TEM), καθώς και με φασματοσκοπία Raman και θερμοσταθμική ανάλυση (TGA). Τα αποτελέσματα των πειραμάτων οδήγησαν στο συμπεράσμα πως οι ατμοί της αιθανόλης είναι καλύτερη πηγή άνθρακα σε σύγκριση με της μεθανόλης, οδηγώντας μάλιστα στη παραγωγή μίγματος πολυφλοιϊκών και μονοφλοιϊκών νανοσωλήνων άνθρακα, με καθαρότητες που ξεπερνούσαν το 90%. Επιτακτική αποδείχθηκε η παρουσία του μετάλλου, το οποίο και αποτελεί το κέντρο πυρημοποιήσης για την ανάπτυξη των νανοσωλήνων, ενώ καθοριστική είναι και η χρήση υποστρώματος προκειμένου ο άνθρακας να αποτεθεί με τη μορφή αυτή. Επιπρόσθετα, η παρουσία του υδρογόνου αύξησε σημαντικά το ποσοστό του άνθρακα που αποτέθηκε οδηγώντας μάλιστα στο σχηματισμό μεταλλικών μονοφλοικών νανοσωλήνων άνθρακα πολύ μικρής διαμέτρου, η οποία υπολογίστηκε ίση με 0.45nm. / The main goal of this research was the development of a new method for the production of carbon nanotubes, based on chemical vapor deposition (CVD), which employs a liquid carbon source. In addition, a detailed investigation of the effect of several parameters (carbon source, deposition temperature, kind and metal concentration and support, hydrogen addition e.t.c.) on both the process and the final carbon product was carried out. For this purpose, a CVD experimental apparatus was developed, which uses vapors of liquid precursors and allows the continuously recording of sample weight changes in correlation with time. In some cases, a mass spectrometer was used as a way to determine the kind of processes that take place in the gas phase during carbon deposition. The solid product was characterized using scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), Raman spectroscopy and thermogravimetric analysis (TGA). The experimental results led to the conclusion that ethanol vapors are preferable because they lead to higher yield of both multi-wall and single-wall carbon nanotubes. Also, it was proved that the presence of a metal catalyst and support is necessary, because the first one is the active site of carbon nanotubes formation, and the second leads to the deposition of carbon in this form. Additionally, it was proved that the use of hydrogen in the gas mixture of the process is very important, as a way to reduce catalyst, leading to the formation of metalic single-wall carbon nanotubes of very small diameter (0.45nm).