Ο κύριος σκοπός της διπλωματικής εργασίας αυτής είναι η εξοικείωση με τα γραφιτικά υλικά και τις μηχανικές τους ιδιότητες. Στο πρώτο μέρος της εργασίας, γίνεται μια εισαγωγή στους νανοσωλήνες άνθρακα και διεξάγεται μια βιβλιογραφική ανασκόπηση στο θέμα, με έμφαση στη μικροσκοπία Laser Raman ως μη-καταστρεπτική τεχνική μέτρησης μηχανικών ιδιοτήτων. Στο δεύτερο τμήμα, μελετώνται οι μηχανικές τους ιδιότητες με πειράματα εφελκυσμού σε πρωτότυπα ινίδια νανοσωλήνων, σε συσκευή δυναμικής μηχανικής ανάλυσης (DMA) και επίσης διεξάγονται μετρήσεις σε άλλα υλικά, όπως buckypapers και ίνες γραφίτη αλλά και αραμιδικές ίνες Kevlar®. Δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στη διαδικασία παραγωγής ινιδίων νανοσωλήνων άνθρακα μονού τοιχίου με διηλεκτροφόρηση, την οποία ελπίζουμε να αναπαράγουμε στο μέλλον. / The main purpose of this thesis is to get acquainted with graphitic materials and their mechanical properties. The first part of the thesis is an introduction in carbon nanotubes and emphasis is put on Laser Raman spectroscopy as a non-destructive method to measure mechanical properties. In the second part, the mechanical properties of prototype carbon nanotube fibrils are measured in a dynamic mechanical analysis (DMA) machine and also measurements are carried out on other graphitic materials like buckypapers, graphitic fibres and aramidic polymer (Kevlar®) fibres. The production process of these carbon nanotubes fibrils via dielectrophoresis, which we hope to reproduce in the future, is specially stressed.

Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία μελετήθηκε ο τρόπος κατασκευής νανοσωλήνων TiO2 .Επίσης ερευνήθηκαν κάποιοι παράμετροι που επηρεάζουν την γεωμετρία τους όπως είναι η τάση, ο χρόνος και οι ηλεκτρολύτες. Αρχικά στο πρώτο κεφάλαιο αναλύθηκε εκτενέστερα η νανοτεχνολογία η οποία σχετίζεται με την κατανόηση και τον έλεγχο της ύλης, σε διαστάσεις 1 έως 100 nm. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε μια πλήρη ταξινόμηση των νανοϋλικών καθώς και η εφαρμογή τους στην αεροναυπηγική στην ιατρική και ως ηλιακές κυψελίδες. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στην ηλεκτροχημική ανοδίωση, μια από τις πιο γνωστές μεθόδους για την σύνδεση και παραγωγή νανοσωλήνων, αλλά και για την κατασκευή νάνο-επιφανειών. Επιπλέον αναφέρονται όλα τα συστατικά που χρησιμοποιούνται στη μέθοδο αυτή αλλά και όσα πρέπει να γνωρίζουμε για τους ηλεκτρολύτες. Στη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία το υλικό με το οποίο ασχοληθήκαμε, μελετήσαμε και επεξεργαστήκαμε ήταν το τιτάνιο, το οποίο αναλύεται στο τρίτο κεφάλαιο. Το Τιτάνιο είναι ένα παραδοσιακό μέταλλο με πολύ καλές ιδιότητες μηχανικές αλλά και φυσικές έχοντας αρκετές εφαρμογές σε πάρα πολλούς τομείς όπως στην αυτοκινητοβιομηχανία, στην ιατρική, στη χημική βιομηχανία και στη ναυπηγική. Έπειτα στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στις κατανομές που χρησιμοποιήσαμε στην διπλωματική αυτή όπως είναι η κανονική κατανομή ή κατανομή Gauss και στην Weibull κατανομή. Οι κατανομές αυτές ήταν το εργαλείο για να μπορέσουμε να ερμηνεύσουμε αλλά και να κατανοήσουμε πλήρως τα αποτελέσματα μας. Στο κεφάλαιο πέντε παρουσιάζεται αναλυτικά η διαδικασία διεξαγωγής των πειραμάτων μας, αλλά και πλήρης ανάλυση και σχολιασμός των αποτελεσμάτων. Τέλος στο κεφάλαιο έξι αναλύονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τα πειράματα για την παρούσα διπλωματική εργασία. / In the present master thesis the construction route of TiO2 nanotubes were studied. A variety of parameters, that affect their geometry such as voltage, time and electrolytes. was investigated. Ιn the first Chapter become report in the nanotechnology which is related to the conception and control of material in dimension 1 to 100nm. Then, a complete categorization of nano-materials is carried out. Also we talked about the applications of these to the field of aeronautical, medicine and solar cells. In the second chapter we analysed in detail the electrochemical anodizing, one of the most well-known procedures for the connection and production of nanotubes but also for the construction of nano-surfaces. Furthermore, all the materials used for this method are mentioned as well as everything we need to know about electrolytes. In the present master thesis the material which we worked on, studied and processed was titanium which is analyzed in the third chapter. Titanium is a traditional metal having excellent mechanical and physical properties that make it useful in many applications such as car industry, medicine, chemical industry and shipbuilding. In the fourth chapter there is a reference to the master thesis used during the dissertation such as the normal distribution or Gaussian distribution and Weibull distribution. These distributions were considered the tool that enabled us to explain and fully understand our results. Chapter five presents the analytical procedure to conduct our experiments and thorough analysis and discussion of our results. Finally, in chapter six the results derived from the experiments in the present master thesis are analyzed.

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).

Οι νανοσωλήνες άνθρακα, από τη στιγμή της ανακάλυψής τους, έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας, λόγω της ευρείας εφαρμογής τους σε πολλά επιστημονικά και τεχνολογικά πεδία, ως συνέπεια των μοναδικών ιδιοτήτων τους. Σημαντική είναι η χρησιμοποίηση των νανοσωλήνων άνθρακα με σκοπό την ανάπτυξη μιας καινοτόμου μεμβράνης υψηλών αποδόσεων, για χρήση στην τεχνολογία Βιοαντιδραστήρα Μεμβρανών (Membrane Bioreactors, MBRs). Στην παρούσα εργασία, πραγματοποιήθηκε χημική τροποποίηση των νανοσωλήνων άνθρακα με πολυμερικές αλυσίδες. Η τροποποίηση των νανοσωλήνων μπορεί όχι μόνο να αυξήσει τη διαλυτότητά τους, αλλά να βελτιώσει την επεξεργασιμότητά τους και να τους προσδώσει νέες ιδιότητες, ανάλογα με τη φύση των μορίων της τροποποίησης. H τροποποίηση των νανοσωλήνων άνθρακα μπορεί να επιτευχθεί με την επισύναψη λειτουργικών ομάδων στην επιφάνειά τους, είτε μέσω ομοιοπολικού είτε μέσω μη ομοιοπολικού δεσμού. Η ομοιοπολική σύνδεση επιτυγχάνεται με δύο μεθόδους: τον “εμβολιασμό προς” και τον “εμβολιασμό από”. Στον “εμβολιασμό προς” το συντεθειμένο πολυμερές προσδένεται απευθείας στην επιφάνεια του νανοσωλήνα, ενώ στον “εμβολιασμό από” η πολυμερική αλυσίδα αναπτύσσεται πάνω στην επιφάνεια του νανοσωλήνα. Στη συγκεκριμένη εργασία, λεπτοί νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλού τοιχώματος (Thin MWCNTs) και νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλού τοιχώματος (MWCNTs) τροποποιήθηκαν ομοιοπολικά και με τις δύο μεθόδους με πολυμερή, τα οποία μπορούν να ενσωματώσουν είτε ομοιοπολικά είτε ηλεκτροστατικά ομάδες τεταρτοταγούς αζώτου και φωσφoνίου, οι οποίες παρουσιάζουν βιοστατικές ιδιότητες. Ειδικότερα, έγιναν προσπάθειες ομοιοπολικής πρόσδεσης των βιοστατικών ομάδων μέσω πολυμερισμού κατάλληλων μονομερών ή με πολυμερισμό των μονομερών και κατάλληλη χημική τροποποίησή τους στην επιφάνεια των νανοσωλήνων άνθρακα. Τα μονομερή ήταν ο 2-(διμεθυλάμινο) μεθακρυλικός αιθυλεστέρας (DMAEMA) και το τεταρτοταγές DMAEMA για τους MWCNTs, ενώ μια επιπλέον προσπάθεια πραγματοποιήθηκε για πολυμερισμό του Ν,Ν-[(διμεθυλάμινο)πρόπυλο]μεθακρυλαμιδίου (MADAP) στους Thin MWCNTs. Επειδή οι προσπάθειες δεν προχώρησαν σε σημαντικό βαθμό, συντέθηκε το στατιστικό συμπολυμερές P(AA12-co-VBCHAM) με συμπολυμερισμό του ακρυλικού οξέος (ΑΑ) και του 4-βινυλοβένζυλο χλωριδίου (VBC) σε ποσοστό 12% και 88% αντίστοιχα και εισαγωγή της N,N-διμεθυλοδεκαεξυλαμίνης, το οποίο στη συνέχεια εισήχθη στους τροποποιημένους, με ομάδες φαινόλης, νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs-PhOH). Επίσης, επετεύχθη εισαγωγή των βιοστατικών ομάδων αμμωνίου και φωσφονίου μέσω ηλεκτροστατικής αλληλεπίδρασης ως αντισταθμιστικά ιόντα στον αρνητικά φορτισμένο πολυηλεκτρολύτη πολυ(στυρενοσουλφονικό νάτριο) (PSSNa), που είχε προσδεθεί στους τροποποιημένους, με ομάδες εκκινητή ATRP, (πολυμερισμός ελευθέρων ριζών μέσω μεταφοράς ατόμου) λεπτούς νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλού τοιχώματος (Τhin MWCNTs-Ph-INIT). Η ίδια διαδικασία πραγματοποιήθηκε για την εισαγωγή ομάδων αμμωνίου στο PSSNa που είχε προσδεθεί στους τροποποιημένους, με ομάδες εκκινητή ATRP, νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλού τοιχώματος (MWCNTs-Ph-INIT). Τα συντεθειμένα βιοστατικά υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πολλές εφαρμογές, μεταξύ των οποίων είναι και ο καθαρισμός του νερού. / Since their discovery, carbon nanotubes, have attracted the interest of the scientific community, because of their wide application in a numerous scientific and technological fields, as a consequence of their unique properties. The use of carbon nanotubes is of great importance to the field of Membrane Bioreactors (MBRs) for the development of innovative membranes of high performance. The modification of carbon nanotubes can not only increase their solubility, but improve their processability and give them new properties, depending on the nature of the molecules of modification. In this work, the chemical modification of carbon nanotubes with polymer chains is investigated. Modification of carbon nanotubes can be achieved with the attachment of functional groups in their surface, through covalent or non covalent bond. The covalent bond is achieved with two methods: “grafting to” and “grafting from”. In the “grafting to” method, the synthesized polymer is attached directly on the surface of carbon nanotube, while in the “grafting from” method, the polymer chain is developed from the surface of the carbon nanotube. In the present work, thin multi-walled carbon nanotubes (Thin MWCNTs) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) were modified covalently with both methods with polymers, that can incorporate either covalently or electrostatically, quartenary ammonium and phosphonium groups that present antifouling properties. More specifically, efforts were made in covalent attachment of antifouling groups via polymerization of suitable monomers or with polymerization of monomers and appropriate subsequent chemical modification in the surface of carbon nanotubes. The monomers were the 2-(Dimethylamino)ethyl methacrylate (DMAEMA) and quaternized DMAEMA for MWCNTs, while an additional effort was made in polymerization of N,N-[(dimethylamino)propyl]methacrylamide (MADAP) in Thin MWCNTs. Because the efforts were not successful, the random copolymer P(AA12-co-VBCHAM) was prepared, with copolymerization of acrylic acid (AA) and 4-vinylbenzyl chloride (VBC) in 12% and 88% percentage respectively and introduction of N,N-Dimethylhexadecylamine, which afterwards was introduced into modified, with phenol groups, carbon nanotubes (CNTs-PhOH). Furthermore, successful introduction of antifouling ammonium and phosphonium groups via electostatical interaction as counter ions in the negatively charged polyelectrolyte poly(sodium styrene sulfonate) (PPSNa) was accomplished. The polyelectrolyte was grafted onto modified, with ATRP (atom transfer radical polymerization) initiator groups, thin multi-walled carbon nanotubes (Thin MWCNTs-Ph-INIT). The same process was followed for the introduction of ammonium groups in PSSNa, which was grafted onto modified, with ATRP initiator groups, multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs-Ph-INIT). The composed antifouling materials can be used in a lot of applications, including the water purification.

Οι νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) εξακολουθούν να προσελκύουν το ενδιαφέρον πολλών ερευνητικών ομάδων λόγω των ασυνήθιστων μηχανικών, δομικών και ηλεκτρονικών τους ιδιοτήτων, που τους καθιστούν σοβαρούς υποψήφιους για μια πληθώρα εφαρμογών. Συνεπώς, έχουν αναφερθεί διάφορες τεχνικές, που αποσκοπούν στη μαζική παραγωγή νανοσωλήνων άνθρακα. Ο βασικός στόχος της παρούσας μελέτης ήταν να εξερευνηθεί η επίδραση καταλυτικών και λειτουργικών παραμέτρων στο ρυθμό της ανάπτυξης και την ποιότητα των παραγόμενων νανοσωλήνων άνθρακα μέσω της διεργασίας της χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD) αιθυλενίου. Τα πειράματα εναπόθεσης διεξήχθησαν σε θερμοβαρυμετρικό αντιδραστήρα, που επιτρέπει τη συνεχή καταγραφή της μεταβολής του βάρους του δείγματος με τον χρόνο. Τα προϊόντα της αντίδρασης αποτελούνταν κυρίως από πολυφλοιικούς νανοσωλήνες άνθρακα (MWCNTs) και χαρακτηρίστηκαν με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) και Raman φασματοσκοπία. Υιοθετήθηκαν επίσης η ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης (ΤΕΜ) και η θερμοβαρυμετρική ανάλυση (ΤGA). Μια σειρά από μονομεταλλικούς καταλύτες Fe2O3/Al2O3, παρασκευασμένοι με διαφορετικές μεθόδους, εξετάστηκαν υπό συνθήκες ανάπτυξης CNTs. Η ελεγχόμενη εκρηκτική καύση (CEB) των πρόδρομων ενώσεων βρέθηκε ότι είναι η πιο αποδοτική μέθοδος για την παρασκευή του μονομεταλλικού καταλύτη σε σχέση με το ρυθμό ανάπτυξης και την απόδοση σε CNTs. Το αποτέλεσμα αυτό αποδόθηκε στην παρουσία σωματιδίων αιματίτη μικρής διαμέτρου στον καταλύτη. Η παρουσία του υδρογόνου στην αέρια τροφοδοσία της αντίδρασης επίσης αποδείχθηκε ότι προάγει το ρυθμό παραγωγής των MWCNTs. Η απόδοση και η ποιότητα των ΜWCNTs εξαρτώνται από τη συγκέντρωση της πηγής του άνθρακα (αιθυλένιο) στο ρεύμα της τροφοδοσίας καθώς και από τη θερμοκρασία της αντίδρασης. Υπό τις παρούσες πειραματικές συνθήκες, η βέλτιστη θερμοκρασία αντίδρασης βρέθηκε ότι είναι οι 650 0C. Αποδείχθηκε επίσης ότι η CVD του αιθυλενίου παράγει περισσότερους νανοσωλήνες άνθρακα από τη CVD του ακετυλενίου, σε όμοιες πειραματικές συνθήκες. Πολυφλοιικοί νανοσωλήνες άνθρακα αναπτύχθηκαν επίσης σε μια σειρά από καταλύτες Χ% κβ Fe2O3/Al2O3 με CVD αιθυλενίου στους 650 0C. Οι παραπάνω καταλύτες με συγκέντρωση οξειδίου σιδήρου που κυμαινόταν από 0 ως 100 %, παρασκευάστηκαν με ελεγχόμενη εκρηκτική καύση των πρόδρομων νιτρικών ενώσεων τους. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η απόδοση και η ποιότητα των παραγόμενων νανοσωλήνων άνθρακα εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη συγκέντρωση του Fe2O3. H βέλτιστη φόρτιση του οξειδίου του σιδήρου βρέθηκε ότι είναι η 75% κβ, η οποία οδήγησε σε δομή καταλύτη που απέφερε την μεγαλύτερη απόδοση (~2000 %), δηλαδή το βάρος των εναποτιθέμενων MWCNTs ήταν 20 φορές μεγαλύτερο από το βάρος του αρχικού καταλύτη. Το αποτέλεσμα αυτό αποδόθηκε στη δημιουργία μεγάλου αριθμού ενεργών κέντρων και στη μεγάλη διασπορά της φάσης του Fe2O3. Μια σειρά από διμεταλλικούς καταλύτες Μ-Fe2O3/Al2O3 (Μ: Ru, Ni, Co, Mo) παρασκευάστηκαν με διαφορετικούς μεθόδους και εξετάστηκαν υπό συνθήκες CVD αιθυλενίου. Η ελεγχόμενη εκρηκτική καύση των πρόδρομων ενώσεων τους βρέθηκε ότι είναι η πιο αποτελεσματική μέθοδος για την παρασκευή του Ni-Fe2O3/Al2O3 και του Co-Fe2O3/Al2O3, ενώ η μέθοδος της συγκαθίζησης για την παρασκευή του Ru-Fe2O3/Al2O3 και του Μο-Fe2O3/Al2O3. Κατά τη μελέτη του διμεταλλικού καταλύτη Ru-Fe2O3/Al2O3, παρασκευασμένου με τη μέθοδο της συγκαθίζησης, βρέθηκε ότι η υψηλή του απόδοση σε MWCNTs οφείλεται στη μεγάλη διασπορά της φάσης του Fe2O3, που επιφέρει η παρουσία του ρουθινίου και στην χαμηλή συγκέντρωση της φάσης του RuO2. H ποσότητα και η ποιότητα των παραγόμενων MWCNTs εξαρτώνται από τη συγκέντρωση του αιθυλενίου στη τροφοδοσία και από τη θερμοκρασία της CVD διεργασίας. Η βέλτιστη συγκέντρωση βρέθηκε ότι είναι η 20% και η βέλτιστη θερμοκρασία οι 650 0C. Ακόμα, μεταξύ διάφορων υποστρωμάτων που εξετάστηκαν, βρέθηκε ότι το πιο αποδοτικό είναι η αλούμινα, η οποία προέρχεται από το ένυδρο νιτρικό αλουμίνιο. Επίσης, εξερευνήθηκε η επίδραση του λόγου Fe/Ni της δομής του διμεταλλικού καταλύτη Ni-Fe2O3/Al2O3 , παρασκευασμένου με τη CEB μέθοδο, στο ρυθμό της ανάπτυξης των MWCNTs μέσω της CVD του αιθυλενίου. Βρέθηκε ότι για φόρτιση σε μέταλλο ίση με 52.5 %, ο βέλτιστος λόγος ήταν Fe/Ni = 6, ο οποίος οδήγησε στην εντυπωσιακή απόδοση του 3600 % σε ΜWCNTs. Αυτό αποδόθηκε στο σχηματισμό χημικής ένωσης μεταξύ των στοιχείων Ni, Fe, Al και O και στο σχηματισμό πολλών νανοκρυσταλλιτών Fe2O3, όπως τεκμηριώθηκε από την ανάλυση TEM. Επίσης, αποδείχθηκε ότι η CVD του αιθυλενίου σε αυτόν τον καταλύτη είναι πιο αποδοτική από τη CVD του ακετυλενίου. Ένας φασματογράφος μάζας χρησιμοποιήθηκε για να καθοριστούν οι χημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα κατά τη CVD του αιθυλενίου στον συγκεκριμένο διμεταλλικό καταλύτη. Βρέθηκε ότι οι ρυθμοί της διάσπασης του αιθυλενίου και της παραγωγής υδρογόνου είναι πολύ υψηλοί στο αρχικό στάδιο της εναπόθεσης, ενώ υδρατμοί παράγονται από την αντίδραση του υδρογόνου με τα μεταλλικά οξείδια. / Since their discovery in 1991, Carbon Nano-Tubes (CNTs) continue to draw significant attention due to their various potential applications, deriving from their extraordinary structural, electronic and mechanical properties. Thus, several methods of production of CNTs have been reported. The main goal of this research was the investigation of the influence of catalytic and operational parameters on the rate of growth and quality of CNTs via the process of Chemical Vapor Deposition (CVD) of ethylene. Deposition experiments were carried out in a thermogravimetric hot-wall reactor , which enables continuous monitoring of the evolution of carbon mass with time. The products of the deposition comprised mainly Multi-Wall Carbon Nano-Tubes (MWCNTs) and they were characterized using Scanning Electron Microscopy and Raman spectroscopy. Transmission Electron Microscopy and Thermo-Gravimetric Analysis were also employed. A series of Fe2O3/Al2O3 catalysts prepared by different methods were investigated under conditions of synthesis of CNTs. Controlled explosive burning (CEB) of precursor compounds was found to be the most effective method of preparation of the catalyst with respect to rate of deposition and yield of CNTs. This result has been attributed to the presence of hematite particles of small diameter on the catalyst. The presence of hydrogen in the gas feed mixture, even at small concentration, proved to be beneficial for the rate of production of MWCNTs. Yield and quality of MWCNTs depend on the concentration of the carbon source (ethylene) in the feed mixture and on temperature of deposition. Under the present experimental conditions, the optimal reaction temperature was proved to be 650 0C. It was also found that ethylene CVD process is more productive than acetylene CVD process, under identical experimental conditions. MWCNTs were also grown on a series of X % wt Fe2O3/Al2O3 catalysts by thermal cracking of ethylene at 650 0C. The above catalysts with composition ranging from 0 to 100 % wt Fe2O3 were prepared by controlled explosive burning (CEB) of their nitrate precursors. Results show that the final yield and quality of the MWCNTs are highly dependent on the iron oxide concentration of the catalyst. The optimal iron oxide loading was found to be 75%wt, which led to a yield of ~2000 % relative to the initial weight of the catalyst. This result was attributed to the formation of large number of active sites for CNTs growth as well as to the high dispersion of the Fe2O3 phase. A series of bimetallic catalysts M-Fe2O3/Al2O3 (M: Ru, Ni, Co, Mo), were also prepared by different methods and investigated under conditions of CVD reaction of ethylene. Controlled explosive burning (CEB) of precursor compounds was found to be the most effective method of preparation of the catalysts Ni-Fe2O3/Al2O3 and Co-Fe2O3/Al2O3 with respect to rate of deposition and yield of CNTs. Co-precipitation of nitrate precursors (CP-W(H)) was the most effective method of preparation of the catalysts Ru-Fe2O3/Al2O3 and Mo-Fe2O3/Al2O3. During the study of the Ru-Fe2O3/Al2O3 catalyst, prepared by CP-W(H) method, its high catalytic activity ( ~2600% MWCNTs yield) was attributed to the high dispersion of Fe2O3 particles, due to the presence of ruthenium, and the low concentration of RuO2 phase. Yield and quality of MWCNTs depend on the concentration of ethylene in the feed mixture and on temperature of CVD reaction. Under the present experimental conditions, the optimal concentration of ethylene and reaction temperature was found to be 20% and 650 0C, respectively. Furthermore, the most effective substrate, among others tested, was proved to be the aloumina deriving from aluminum nitrate. The influence of the ratio Fe/Ni in the structure of Ni-Fe2O3/Al2O3 catalyst, prepared by CEB method, on rate of growth of MWCNTs was investigated. It was found that the optimal value was Fe/Ni = 6 for 52.5 % metal loading, which led to the impressive yield of ~3600% . This was attributed to the generation of a chemical compound comprising Fe, Ni, Al and O, which in turn induced the formation of Fe2O3 nanocrystallites, as established by TEM analysis. Furthermore, it was evidenced that CVD of ethylene is more efficient process than CVD of acetylene. A mass spectrometer was also employed as a way to determine the chemical reactions that take place during carbon deposition in this bimetallic catalyst. It was found that ethylene decomposition and hydrogen production rates are high at the first stages of deposition, while H2O(g) is produced due to the reaction of hydrogen with the metal oxides.

Η ανάπτυξη υπολογιστικών διαδικασιών που είναι σε θέση να προσομοιώσουν και να προβλέψουν με ακρίβεια την μηχανική συμπεριφορά και τις αστοχίες βασικών νανοδομών είναι ο σκοπός της παρούσας διατριβής. Οι υπολογιστικές διαδικασίες αναπτύσσονται βάσει των πεπερασμένων στοιχείων και στη συνέχεια εφαρμόζονται για να παρέχουν αριθμητικά αποτελέσματα σχετικά με την ελαστική, δυναμική και μη γραμμική συμπεριφορά των νανοδομών άνθρακα, όπως του γραφενίου, νιφάδες γραφίτη και νανοσωλήνων άνθρακα. Η μοριακή μηχανική θεωρία παρέχει τα πεδία δύναμης (εκφράσεις διατομικών αλληλεπιδράσεων) που χρησιμοποιούνται ως βάση για το φορμαλισμό πεπερασμένων στοιχείων-ελατηρίων. Η εξιδανικευμένη ατομιστική γεωμετρία των νανοδομών, όπως προκύπτει από την ελαχιστοποίηση της δυναμικής ενέργειας χρησιμοποιείται για να οριστεί η διακριτή γεωμετρία τους και κατ’ επέκταση η γεωμετρία των αντίστοιχων προτύπων πεπερασμένων στοιχείων. Επιπλέον, αναπτύσσονται μεθοδολογίες πεπερασμένων στοιχείων πολυ-κλίμακας για την πρόβλεψη της ελαστικής και μη γραμμικής συμπεριφοράς νανοσύνθετων ενισχυμένων με νανοσωλήνες άνθρακα. Αναπτύσσονται αντιπροσωπευτικά στοιχεία όγκου τα οποία βρίσκονται σε πλήρη συμφωνία με την μικρομηχανική θεωρία. Η ενισχυόμενη φάση, η οποία μπορεί να είναι πολυμερές, μέταλλικό ή ελαστομερές υλικό, αντιμετωπίζεται ως συνεχές μέσο, ενώ η ενίσχυση ως διακριτή δομή. Η διεπιφανειακή ζώνη μεταξύ μήτρας και ενίσχυση προσεγγίζεται με κατάλληλα στοιχεία συνδέσμους και οι ιδιότητες ακαμψίας τους υπολογίζονται με τη χρήση φυσικών υποθέσεων. Σε όλες τις περιπτώσεις, τα αποτελέσματα των προτεινόμενων μεθόδων συγκρίνονται με αντίστοιχες πειραματικές και θεωρητικές προβλέψεις, οι οποίες είναι διαθέσιμες στην διεθνή βιβλιογραφία, αποδεικνύοντας την υψηλή ακρίβεια πρόβλεψης των προτεινόμενων μεθόδων. / The development of computational procedures that are able to accurately simulate and predict the mechanical behaviour and failures of basic nanostructures is the aim of the present thesis. A spring based finite element method is developed and utilized to provide numerical results about the elastic, dynamic and nonlinear behaviour of major carbon allotropes, such as graphene, graphite flakes and carbon nanotubes. The molecular mechanics theory provides the force fields that are used as the base for the spring elements formulation. The optimized atomistic geometry of nanostructures as graphene nanoribbons, graphite flakes, as well as single and multi walled carbon nanotubes as derived by the potential energy minimization is used to be defined their discrete geometry and the corresponding finite element models. Furthermore, multi-scale finite element models are formulated for the prediction of elastic and nonlinear mechanical behavior of carbon nanotube reinforced nanocomposites. Representative volume elements are implemented according to the micromechanical theory. Matrix materials such polymers, metals or rubber are considered as continuum mediums, whereas the reinforcement is modeled as a discrete structure. The interfacial zone between matrix and reinforcement is approached by appropriate elements and their stiffness properties are computed by using physical assumptions. In all cases, the results of the proposed methods are compared with experimental and theoretical ones available in the literature demonstrating the high predicting accuracy of the proposed methods.

Στην παρούσα εργασία, η αποθήκευση υδρογόνου σε νανοσωλήνες άνθρακα εξετάστηκε με τη βοήθεια δύο πειραματικών τεχνικών: ρόφηση υδρογόνου και θερμοπρογραμματιζόμενη εκρόφηση υδρογόνου. Τα δείγματα που εξετάστηκαν για αποθήκευση υδρογόνου περιελάμβαναν MWCNTs, thinMWCNTs και SWCNTs. Τα πειράματα ρόφησης υδρογόνου πραγματοποιήθηκαν σε θερμοκρασία 298 Κ και σε εύρος πίεσης 0-1000 Torr και τα αποτελέσματα που προέκυψαν είναι, 0.12-0.17 wt.%, 0.22 wt.% καιι 0.30-0.36 wt.% αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τους υπολογισμούς της ενέργειας ενεργοποίησης εκρόφησης (~20 kJ/mol) των TPD πειραμάτων οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι η αποθηκευτική ικανότητα Η2 των CNTs δεν είναι αποτέλεσμα μόνο φυσικής ρόφησης, αλλά και φαινόμενα χημικής ρόφησης λαμβάνουν χώρα και ότι η διαθέσιμη προς ρόφηση Η2 επιφάνεια των CNTs είναι ομοιόμορφη, αφού η ποσότητα Η2 που ροφήθηκε στους CNTs στους 298 Κ, εκροφήθηκε από αυτούς στην ίδια θερμοκρασία. Η ενίσχυση της ικανότητας ρόφησης Η2 ενός υλικού, λαμβάνει χώρα μέσω του φαινομένου spillover. Pt εναποτέθηκε στους CNTs μέσω υγρού εμποτισμού ή μέσω ανάμιξης στη συσκευή υπερήχων του αιωρήματος των CNTs στο διάλυμα της πρόδρομης ένωσης. Στους CNTs που εξετάστηκαν, η παρουσία Pt στην επιφάνεια τους, σχεδόν διπλασίασε την αποθηκευτική τους ικανότητα σε Η2. Οι εμπλουτισμένοι με αλκάλια CNTs εμφανίζουν μεγαλύτερα ποσοστά αποθήκευσης Η2 από τους μη εμπλουτισμένους. Η συμπεριφορά αυτή έχει αποδοθεί στη δημιουργία δίπολου πάνω στο μόριο του Η2, λόγω της ύπαρξης σημειακών φορτίων στα αλκάλια. Το μέγιστο ποσοστό αποθήκευσης που επιτεύχθηκε στην παρούσα εργασία είναι το 0.7 wt.%, στους 298 Κ, για το υλικό 0.5% Pt/ Li(5%)-SWCNTs-85%. Στα κελιά καυσίμου ΡΕΜ, το μεγάλο κόστος λόγω της παρουσίας του καταλύτη Pt στα ηλεκτρόδια τους, αποτελεί τον κυριότερο περιορισμό για την εμπορευματοποίηση τους. Ως εκ τούτου, στόχος είναι η αποδοτικότερη χρήση του καταλύτη Pt με ταυτόχρονη μείωση της ποσότητας του. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν, μέσω ηλεκτροχημικών πειραμάτων, οι καταλύτες Pt/SWCNTs, Pt/MWCNTs και Pt/Vulcan-XC72. Η εναπόθεση της Pt έλαβε χώρα με τις προαναφερθείσες μεθόδους, και τα αποτελέσματα των πειραμάτων έδειξαν ότι τόσο η μέθοδος εναπόθεσης Pt, όσο και το είδος των CNTs, επηρεάζουν τα ηλεκτροχημικά χαρακτηριστικά των ηλεκτροδίων. Μέγιστη παραγόμενη ισχύς της τάξης των 0.21 W/cm2, επιτεύχθηκε με τους καταλύτες Pt/SWCNTs με χρήση τους ως ηλεκτρόδιων ανόδου. / In this study, hydrogen storage on carbon nanotubes was studied via two main methods: hydrogen adsorption and temperature programmed desorption. CNTs (multi-walled, thin multi-walled and single walled) of variable purity were tested for their hydrogen adsorption capacity at 298 in the pressure range of 0 to 1000 Torr. Maximum adsorption capacity per unit mass of the solid was observed over SWCNTs (0.30-0.36 wt.%), followed by thinMWCNTs (0.22 wt.%) and MWCNTs (0.12-0.17 wt.%). Temperature programmed desorption revealed that the adsorption sites on the CNTs surface are relatively uniform, due to the fact that the quantity of hydrogen desorbed is very close to the quantity of hydrogen adsorbed. The calculated values of desorption activation energy (~20 kJ/mol) revealed that adsorption on CNTs is not purely physical in nature but it also involves weak chemisorption bonds. One potential way to enhance hydrogen storage on carbon nanotubes is spillover effect. Pt was deposited on CNTs via wet impregnation (method A) or mixture of the suspension of carbon nanotubes in the solution of the precursor under sonication (method B). Both, hydrogen adsorption experiments at 298 K and temperature programmed desorption measurements revealed that hydrogen storage capacity observed over CNTs was almost double. Experimental and theoretical researches have shown that alkali doped CNTs presented higher values of hydrogen storage capacity, compared to non alkali doped CNTs. This behavior has been attributed to the creation of bipolar forces in the hydrogen molecule, due to the charge transfer in alkalis. The highest storage capacity presented in this work was 0.7 wt.%, for Li doped CNTs when Pt was deposited on them via method B. The use of CNTs as platinum support for proton exchange membrane fuel cells has been investigated as a way to reduce the cost of fuel cells through an increased utilization of platinum. This work presents results with Pt catalysts supported on CNTs and also on commonly used carbon powder, Vulcan XC-72, prepared via methods mentioned above. The results indicate electrochemical characteristics which depend strongly on the nature of the support and the Pt deposition method. Power density of 0.21 W/cm2 at 80 0C was achieved with Pt/SWCNTs fed with H2 and the activity of the anodes followed the sequence: Pt/SWCNTs > Pt/MWCNTs > Pt/Vulcan XC-72.

Με την ηλικία, νόσοι που σχετίζονται με δομικά ελαττώματα των οστών που οφείλονται σε κατάγματα ή εκφυλισμούς, αναμένονται να αυξηθούν σε συχνότητα. Επιπλέον, η αύξηση του προσδόκιμου ζωής επιβάλλει τη χρήση βελτιωμένων συνθετικών υλικών για την αντικατάσταση νοσούντων οστών, για παράδειγμα κατά τη χρήση μεταλλικών ράβδων σε περιπτώσεις βλαβών μη-ένωσης και στις χειρουργικές επεμβάσεις αντικατάστασης ισχίου. Τα υπάρχοντα υλικά σχετίζονται με υπο-βέλτιστη οστεοενσωμάτωση και προβληματική μακροπρόθεσμη επιβίωση του σύνθετου εμφυτεύματος. Για το λόγο αυτό, η βελτίωση των υλικών επικάλυψης και των μηχανικών ιδιοτήτων των νέων, κυτταρικά συμβατών, συστατικών είναι επιτακτική. Για να αντιμετωπιστεί αυτό το πρόβλημα, υλικά νέας γενιάς είναι διαθέσιμα, ενδεχομένως με καλύτερες ιδιότητες ως υπόστρωμα προσκόλλησης για τα κύτταρα των οστών. Ο σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν να εκτιμηθεί η ικανότητα ενός νέου, ειδικά κατασκευασμένου υλικού απο νανοσωλήνες άνθρακα ως προς τη διατήρηση της σωστής έκφρασης των χαρακτηριστικών γονιδίων των οστεοβλαστών, με έμφαση στην έκφραση των γονιδίων που εμπλέκονται στις αλληλεπιδράσεις οστεοβλαστών-υποστρώματος και έτσι προωθούν την σταθερή προσκόλληση των κυττάρων στο υπόστρωμα. Παράλληλα, ερευνήσαμε και την επίδραση της μηχανικής καταπόνησης στην έκφραση των γονιδίων αυτών σε κύτταρα που καλλιεργήθηκαν σε νανοσωλήνες άνθρακα. Χρησιμοποιήσαμε δύο ανεξάρτητες απομονώσεις οστεοβλαστών διαφοροποιημένων από ανθρώπινα μεσεγχυματικά βλαστικά κύτταρα μυελού των οστών, δηλαδή προχωρήσαμε σε δύο ανεξάρτητα πειράματα. Και στα δύο, για να γίνει ο πειραματισμός όσο εγγύτερα στις πραγματικές συνθήκες, καλλιεργήσαμε τους οστεοβλάστες υπο στατικές συνθήκες όσο και υπό συνθήκες μηχανικής καταπόνησης, για την προσομοίωση "in vivo" συνθηκών, και συγκρίθηκε η γονιδιακή έκφραση οστεοβλαστών που καλλιεργήθηκαν σε πλαστικό έναντι επιφανειών επικαλυμμένων με νανοσωλήνες άνθρακα. Απομονώσαμε το RNA από τους οστεοβλάστες μετά από την καλλιέργειά τους για 3 και 24 ώρες και προσδιορίσαμε, χρησιμοποιώντας την τεχνική real time RΤ-PCR, την έκφραση των ακόλουθων γονιδίων σε επίπεδο mRNA: κολλαγόνο-α1, αλκαλική φωσφατάση, οστεοποντίνη, βινκουλίνη και ιντεγκρίνες α4, αV, β1 και β3. Συνολικά, τα αποτελέσματα της ανάλυσης του κυτταρικού mRNA έδειξαν ότι η γονιδιακή έκφραση μετά από 3 ώρες καλλιέργειας είναι πολύ μεταβλητή, και οριστικά συμπεράσματα δεν θα μπορούσαν να εξαχθούν. Ωστόσο, αφού δίνεται η ευκαιρία στα κύτταρα να προσκολληθούν σταθερά, στις 24 ώρες, κατέστη σαφές ότι: α) η κυτταρική ταυτότητα των διαφοροποιημένων οστεοβλαστών διατηρείται, με βάση το γεγονός ότι η έκφραση αυτών των χαρακτηριστικών γονιδίων, που σχετίζονται με την προσκόλληση, συντηρείται σωστά, αν και σε διάφορα επίπεδα, β) σε στατικές συνθήκες, το επίπεδο της έκφρασης των εξετασθέντων γονιδίων είναι κατά τι χαμηλότερο σε οστεοβλάστες που καλλιεργηθήκαν σε επικαλυμμένη επιφάνεια με νανοσωλήνες άνθρακα σε σύγκριση με τα κύτταρα που καλλιεργηθήκαν σε πλαστικό, και γ) σε σύγκριση με τις στατικές συνθήκες, το μηχανικό ερέθισμα ενισχύει την έκφραση αυτών των γονιδίων οστεοβλαστών όταν καλλιεργούνται σε νανοσωλήνες άνθρακα, για την επίτευξη υψηλών επιπέδων mRNA έκφρασης των γονιδίων κυτταρικής προσκόλλησης. Τα αποτελέσματα της τελευταίας ανάλυσης της γονιδιακής έκφρασης είναι επίσης συμβατά με τις συνολικές ποσότητες RNA που λαμβάνονται, υποστηρίζοντας έμμεσα τη σταθερή προσκόλληση και επιβίωση των οστεοβλαστών σε νανοσωλήνες άνθρακα υπο συνθήκες μηχανικής καταπόνησης. Συμπεραίνουμε λοιπόν ότι το νέο υπόστρωμα από νανοσωλήνες άνθρακα που αναλύθηκε σε μηχανικές συνθήκες διέγερσης που προσομοιάζουν, κατά το δυνατόν, συνθήκες καταπόνησης in vivo, συνιστά ένα κατάλληλο κυτταρικό υπόστρωμα, συμβατό με την επιβίωση των οστεοβλαστών, τη διαφοροποίηση, την ανάπτυξη και την σταθερή προσκόλλησή τους στο υπόστρωμα νανοσωλήνων. Η εργασία αυτή υποστηρίζει την πιθανότητα της χρήσης αυτών των νέων υλικών στο μέλλον για την επικάλυψη σκελετικών προσθέσεων, με σκοπό την απόκτηση βέλτιστης οστεοενσωμάτωσης. / As population ages, diseases related to bone structural defects due to fracture or degeneration are expected to increase in frequency. In addition, the increase in life expectancy necessitates better composite materials for replacement of diseased/fractured bones, for example during the use of metal rods for non-union defects and in hip replacement surgery. The existing materials are associated with sub-optimal osseointegration and problematic long-term survival of the composite graft. For this reason, improvement of coating materials and engineering of novel cell-compatible components is imperative. To address this problem, new-generation materials are available, with possibly better bone cell adherence properties. The Aim of this work was to evaluate the ability of a novel, specially-constructed carbon nanotube material to sustain proper expression of characteristic osteoblast genes, with emphasis on the expression of genes that are functionally involved in osteoblast-matrix interactions and promote firm cell adherence to substrate. We used two independent isolates of osteoblasts differentiated from human bone marrow mesenchymal stem cells, ie we proceeded to two independent experimental runs. In both, to make the experimentation more context-relevant, we grew the osteoblasts in static as well as under mechanical strain, to simulate in vivo conditions, and also compared gene expression in osteoblasts grown on plastic versus carbon nanotube-coated surface. We isolated RNA from the osteoblasts at 3 hours and 24 hours after seeding them on the culture vessels and determined, using real-time RT-PCR techniques, the level of expression of the following genes at the mRNA level: α1-collagen, alkaline phosphatase, osteopontin, vinculin, and integrins α4, αV, β1 and β3. All in all, the results on cell mRNA analysis indicated that gene expression at 3h post-plating is too variable and no firm conclusions could be drawn. However, once the cells are given a chance to firmly adhere, at 24h, it became clear that: a) osteoblast cell identity is maintained, based on the fact that the expression of these characteristic matrix- and adhesion-related genes is properly maintained, albeit in various levels, b) in static conditions, the level of expression of the examined genes is lower in cells grown on nanotube-coated surface compared to cells grown on plastic, and c) in comparison to static conditions, mechanical stimulation enhances expression of these genes in osteoblasts grown on nanotubes, to attain robust levels of cell adherence gene mRNA expression. The results of the latter gene expression analysis are also compatible with total RNA quantities obtained, indirectly arguing firm osteoblast adhesion/survival on nanotubes under mechanical strain conditions. We therefore conclude that the novel carbon nanotubes assayed herein in lifelike mechanical stimulation conditions, constitute an appropriate cell-bearing surface, compatible with osteoblast survival, differentiation, growth and firm adherence to substrate. This work raises the possibility of using this novel material in the future to coat skeletal prostheses, in order to obtain improved osseointegration.

Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η κατασκευή, η πειραματική και θεωρητική μελέτη πολυμερικών μίκρο- και νάνο- συνθέτων υλικών. Μελετήθηκε η επίδραση στη μηχανική συμπεριφορά τους φθοροποιών παραγόντων όπως η απορρόφηση υγρασίας και κατασκευαστικών παραμέτρων όπως η γεωμετρία και η μέθοδος διασποράς της ενίσχυσης. Επίσης, έγινε σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων με την πρόβλεψη των αναλυτικών μοντέλων MPM όσον αφορά το μέτρο Ελαστικότητας συναρτήσει της περιεκτικότητας σε ενίσχυση και RPM όσον αφορά την εναπομένουσα θραυστομηχανικής συμπεριφοράς μετά από υγροθερμική γήρανση. Τέλος, έγινε μικρομηχανική μοντελοποίηση της ελαστικής και βισκοελαστικής διεπιφανειακής συμπεριφοράς με το μοντέλο της υβριδικής ενδιάμεσης φάσης νανοσυνθέτων σε συστήματα νανοσωλήνων άνθρακα-εποξειδικής ρητίνης και νανοσωλήνων TiO2-οστεοκυττάρων. Στο πρώτο μέρος έγινε πειραματική μελέτη πολυμερικών μίκρο-συνθέτων υλικών. Για τη μελέτη της επίδρασης της γεωμετρίας της ενίσχυσης στη μηχανική και θραυστομηχανική συμπεριφορά κατασκευάστηκαν σύνθετα εποξικής μήτρας ενισχυμένα με μίκρο-σωματίδια γυαλιού ινώδους, σφαιρικής και γεωμετρίας φυσαλίδας και πραγματοποιήθηκαν πειράματα κάμψης τριών σημείων και compact tension αντίστοιχα. Για τους τρεις παραπάνω τύπους ενίσχυσης προκύπτει ότι τα σύνθετα ενισχυμένα με μικροσφαιρίδια γυαλιού υπερτερούν από πλευράς καμπτικής δυσκαμψίας και μηχανικής αντοχής. Ο λόγος είναι η δυνατότητα να παραλαμβάνουν τόσο εφελκυστικά όσο και θλιπτικά φορτία σε αντίθεση με τις ίνες και τις φυσαλίδες. Από άποψη στερρότητας, ΚIC υπερτερούν τα σύνθετα με μικροϊνίδια λόγω της αντίστασης στη διάδοση ρωγμών μέσω της εξόλκυσης τους και της γεφύρωσης ρωγμών, ενώ τα σύνθετα με φυσαλίδες γυαλιού παρουσιάζουν αυξημένη ενέργεια θραύσης λόγω της αυξημένης ένδοσης και άρα της δυνατότητας αποθήκευσης ενέργειας. Επίσης, για μικρές περιεκτικότητες σε ενίσχυση η συμπεριφορά των υλικών είναι όλκιμη. Η έναρξη της ρωγμής ακολουθείται από ευσταθή διάδοσή της πριν την καταστροφική αστοχία υπό την επίδραση μηχανισμών διάχυσης ενέργειας και ανάσχεσης της ρωγμής. Αντίθετα, μετά από μία κρίσιμη περιεκτικότητα η θραύση του υλικού γίνεται ψαθυρή λόγω του βαθμού συσσωμάτωσης των εγκλεισμάτων. Η ασταθής διάδοση της αρχικής ρωγμής συμβαίνει αμέσως μετά την εκκίνηση αυτής. Τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν από μικροφωτογραφίες SEM και οπτικού στερεομικροσκοπίου. Σε επόμενο στάδιο μελετήθηκε πειραματικά η επίδραση περιβαλλοντικών παραγόντων στη θραυστομηχανική συμπεριφορά των συνθέτων ενισχυμένων με σφαιρίδια γυαλιού. Πιο συγκεκριμένα, διεξήχθηκαν πειράματα compact tension σε δοκίμια μετά από υγροθερμική γήρανση για χρονικά διαστήματα που υπερβαίνουν το χρόνο κορεσμού απορρόφησης υγρασίας. Προέκυψε ότι για μικρές περιεκτικότητες σε ενίσχυση η δυσθραυστότητα των υλικών ακολουθεί μάλλον εκθετική μείωση. Αντίθετα για υλικά με μεγάλη περιεκτικότητα σε ενίσχυση τα οποία παρουσιάζουν ψαθυρή θραύση, αρχικά παρατηρείται αύξηση ή έναρξη της υποβάθμισης του της θραυστομηχανικής συμπεριφοράς από κάποιο κρίσιμο χρόνο εμβάπτισης. Τέλος, από την εφαρμογή σε αυτά των θεωρητικών του μοντέλων MPM και RPM προέκυψε πολύ ικανοποιητική σύγκλιση με τα πειραματικά αποτελέσματα. Στο δεύτερο μέρος έγινε πειραματική μελέτη της επίδρασης του τρόπου διασποράς των νανοσωλήνων στη μηχανική και θερμομηχανική συμπεριφορά καθώς και στη δομή νανοσυνθέτων. Για την ανάμειξη των νανοσωλήνων χρησιμοποιήθηκαν οι μέθοδοι της υπερήχησης και της μηχανικής ανάμειξης σε αναμείκτη υψηλών στροφών. Έγινε μηχανικός χαρακτηρισμός της στατικής και της δυναμικής θερμομηχανικής συμπεριφοράς τους, από όπου επιβεβαιώθηκε ο κρίσιμος ρόλος που διαδραματίζει η ποιότητα της διασποράς των νανοεγκλεισμάτων στις μακροσκοπικές ιδιότητες του νανοσυνθέτου. Παρατηρήθηκε ότι τα νανοσύνθετα υλικά που κατασκευάστηκαν με τη μέθοδο της υπερήχησης πλεονεκτούν από πλευράς στατικής και δυναμικής μηχανικής συμπεριφοράς έναντι αυτών που κατασκευάστηκαν με τη μέθοδο της μηχανικής ανάμειξης με μόνη εξαίρεση τη μείωση της Tg. Παρ’ όλα εγείρεται το ζήτημα της καταστροφής της δομής της μήτρας λόγω της μεγάλης ισχύος των υπερήχων που εστιάζεται σε μικρή περιοχή, καθώς και της μειωμένη ικανότητα αποδοτικής διασποράς νανοσωλήνων σε μεγαλύτερη ποσότητα ρητίνης. Επιπλέον, ελήφθησαν φάσματα υπερύθρου της καθαρής ρητίνης και των νανοσυνθέτων που κατασκευάστηκαν με τη μέθοδο της υπερήχησης από όπου παρατηρήθηκε αύξηση της πυκνότητας των σταυροδεσμών στην περίπτωση των νανοσυνθέτων, γεγονός που αποδίδεται στη θερμική συμπεριφορά των νανοσωλήνων άνθρακα. Τα πειραματικά αποτελέσματα βρέθηκαν σε πλήρη συμφωνία με τα συμπεράσματα από τις μικροφωτογραφίες SEM των επιφανειών θραύσης των νανοσυνθέτων. Ήταν δυνατό να φανεί ξεκάθαρα η ποιότητα της διασποράς των νανοσωλήνων καθώς και οι μηχανισμοί αστοχίας και ενίσχυσης του υλικού σε νάνο-κλίμακα. Στην περίπτωση της μηχανικής ανάμειξης σε αναμείκτη υψηλής ταχύτητας υπήρχε συσσωμάτωση των νανοσωλήνων, ενώ στην περίπτωση της ανάμειξης με υπερήχηση επιτεύχθηκε καλή ποιότητα διασποράς των νανοεγκλεισμάτων στη μήτρα χωρίς την ύπαρξη συσσωματωμάτων μεγέθους άνω των 5-10 νανοσωλήνων. Από πειράματα compact tension που πραγματοποιήθηκαν παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση κατά 58,51% στον KIC και 55,25% στον GIC σε σχέση με την καθαρή ρητίνη για περιεκτικότητα μόλις 0,1wt% σε νανοσωλήνες άνθρακα. Η βελτιωμένη θραυστομηχανική συμπεριφορά σχετίζεται με τη μικρή απόσταση ανάμεσα στα νανοσωματίδια και το εξαιρετικά μεγάλο αριθμό νανοσωλήνων σε δεδομένο όγκο συνθέτου. Παρ, όλα αυτά από πειράματα που πραγματοποιήθηκαν μετά από υγροθερμική γήρανση έδειξαν ότι η απορρόφηση υγρασίας επιφέρει απώλεια της ενισχυτικής ικανότητας των νανοσωλήνων για χρόνους εμβάπτισης μεγαλύτερους των 24 ωρών. Δεδομένου ότι η περιοχή της ενδιάμεσης φάσης επηρεάζει σημαντικά τη μακροσκοπική συμπεριφορά ενός συνθέτου υλικού έγινε εφαρμογή των αναλυτικών μοντέλων της υβριδικής ενδιάμεσης φάσης και της βισκοελαστικής υβριδικής ενδιάμεσης φάσης σε συστήματα εποξειδικής ρητίνης – νανοσωλήνων άνθρακα και οστεοκυττάρων - νανοσωλήνων TiO2. Για τα νανοσύνθετα που κατασκευάστηκαν με τη μέθοδο της υπερήχησης υπολογίστηκε η τιμή του συντελεστή πρόσφυσης k=0,90 , ενώ για αυτά που κατασκευάστηκαν με μηχανική ανάμειξη σε αναμείκτη υψηλών στροφών η τιμή του συντελεστή πρόσφυσης υπολογίστηκε k=0,20. Η κακή ποιότητα πρόσφυσης έχει ως συνέπεια τη μη αποτελεσματική μεταφορά των φορτίων από τη μήτρα στα εγκλείσματα. Επίσης, έγινε πρόβλεψη της μεταβολής του πάχους της βισκοελαστικής ενδιάμεσης φάσης συναρτήσει του χρόνου υπό την επίδραση σταθερής φόρτισης. Από τη μοντελοποίηση του συστήματος νανοσωλήνων TiO2-οστεοβλαστών με το μοντέλο της υβριδικής ενδιάμεσης φάσης προκύπτει ότι υπάρχει αλληλοκάλυψη των ενδιάμεσων φάσεων που αναπτύσσονται μεταξύ γειτονικών νανοσωλήνων, ακόμα και για καλή ποιότητα πρόσφυσης. Το γεγονός εξηγεί την ελλιπή ανάπτυξη των κυττάρων, καθώς λόγω της αγκύρωσης στην επιφάνεια των νανοσωλήνων και του μικρού διακένου, η ένδοση στην περιοχή μεταξύ των νανοσωλήνων είναι στην πραγματικότητα σημαντικά μικρότερη από αυτή που έχει αρχικά υποτεθεί. / The current master thesis was realized during the years 2010-2012 under the supervision of Prof G.Papanicolaou at the Composite Materials Group, in the Department of Mechanical and Aeronautical Engineering at University of Patras, Greece. The aim of the thesis was the experimental and analytical study of polymer micro- and nano- composites. There was investigated the effect of damage through hygrothermal ageing as well as the effect of manufacturing parameters such as the fillers’ dispersion method and geometry upon the composites’ mechanical and fracture behavior. Experimental findings were compared with the predictions of the RPM and MPM models, concerning the materials response after hygrothermal ageing and the composites’ elastic modulus as a function of filler’s weight fraction, respectively. Also, the interphasial elastic and viscous behavior was investigated by application of the elastic and viscoelastic hybrid interphase models which were both developed by Prof. G.Papanicolaou et al. The two different composite systems considered were Carbon nanotubes- Epoxy and TiO2 nanotubes osteoblast cells. The first part of the study involved the manufacturing, the experimental characterization and analytical modeling of polymer microcomposites. The effect of fillers geometry upon the mechanical and fracture behavior of composites reinforced with spherical, fibrous and hollow bubble E-glass microinclusions was investigated by the means of three point bending and compact tension tests. It was observed that the composites reinforced with spherical inclusions demonstrated superior stiffness and flexural strength, which was attributed to the ability to take up both tensile and compressive loadings, unlike the other two types of fillers. However, glass fibril reinforced composites showed increased fracture toughness in effect of the mechanisms of fiber pull out and crack closure were considered to be fracture toughness. Finally there was observed increased fracture energy in the case of and glass bubble filled composites due to the inclusions increased compliance and thus ability to store more elastic energy prior to crack propagation. SEM microphotographs obtained confirmed experimental findings of ductile fracture and energy dissipation mechanisms for low vf and brittle fracture after a critical volume fraction. Next, the effect of environmental parameters upon the materials fracture behavior was investigated. For low volume fractions in glass microspheres the materials residual fracture toughness was found to decrease exponentially as a function of immersion time in water. On the contrary, for higher volume fractions the there can be observed an increase in toughness or initiation of damage after a critical immersion time. In any case, experimental findings were in close convergence with the predictions analytical models applied: MPM concerning the elastic modulus as a function of vf, and RPM concerning the residual KIC and GIC as a function of ageing time. The thesis’ second part involved the experimental and analytical investigation of the effect of the fillers dispersion method in epoxy nanocomposites. There were applied two dispersion methods of carbon nanotubes in the resin, namely ultrasonication and high speed shearing. From the three point bending characterization and DMTA tests it was concluded that except for the Tg, all static and dynamic properties of nanocomposites manufactured by the ultrasonication method, are superior to the ones of nanocomposites manufactured by the shearing method. This was confirmed by SEM micrographs observations from which there was a clear indication that nanocomposites produced by the shearing method, were characterized by a limited aggregation while those manufactured by the ultrasonication method showed that individual nanotubes are scattered in the matrix and no aggregation was observed. Moreover, results of FTIR analysis indicated increased crosslink density in the nanocomposites compared to the neat resin, however, the decrease in Tg and increase in damping are an indication of damage of the epoxy and nanotubes structure during the ultrasonication procedure. Compact tension tests indicated an increase by 58.51% in the fracture toughness and by 55.25% in the fracture energy of the nanocomposites reinforced with 0.1wt% in MWCNT’s with respect to the neat resin. However, experimental findings indicated that the toughening of nanotubes is lost after hygrothermal ageing of the nanocomposites. The RPM prediction concerning the nanocomposites residual fracture behavior was in close agreement with experimental results. Given that the interphasial phenomena affect the global behavior of a composite, the hybrid interphase model was applied to the carbon nanotubes-epoxy system. For the nanocomposites that were manufactured with the ultrasonication method the adhesion efficiency coefficient value was calculated k=0.70 while for the ones manufactured by high speed shearing the respective value was k=0.20. For the two given adhesion conditions the variation of the viscoelastic interphase thickness was also predicted as a function of loading time. The hybrid interphase model was also applied in order to investigate the interphasial elastic and viscoelastic behavior in a human osteoblast cells-TiO2 nanotubes system. The interphase overlapping was considered to be leading to TiO2 nanotube arrays mediocre biocompatibility due to the anchoring of cells to nanotubes and increased stiffness in the area between nanotubes.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής, ήταν η διερεύνηση της διεπιφάνειας ανθρώπινων μεσεγχυματικών κυττάρων (Human Mesenchymal Stem Cells, hMSCs) -Νανοσωλήνων Άνθρακα Πολλαπλού Τοιχώματος (Multi Walled Carbon Nanotubes, MWCNTs) υπό στατικές και δυναμικές συνθήκες. Οι MWCNTs έχει αποδειχθεί ότι, έχουν μοναδικές ηλεκτρικές και φυσικές ιδιότητες, μηχανική αντοχή και χαμηλή πυκνότητα, χαρακτηριστικά που τους καθιστούν εξαιρετικά ελκυστικούς για το σχεδιασμό βιοϋλικών για ορθοπαιδικές εφαρμογές. Αρχικά, μελετήθηκε η βιοσυμβατότητα των hMSCs σε επιφάνειες MWCNTs, ως προς την κυτταροτοξικότητα, τη μορφολογία, τον πολλαπλασιασμό, τη διαφοροποίηση και την οργάνωση του κυτταροσκελετού. Το υπόστρωμα των MWCNTs ευνόησε την εξάπλωση των κυττάρων, προήγαγε τον πολλαπλασιασμό και προώθησε τη διαφοροποίηση των hMSCs σε οστεοβλάστες, όπως έδειξε η έκφραση αλκαλικής φωσφατάσης, οστεοποντίνης και οστεοκαλσίνης. Μελετήθηκε η γονιδιακή έκφραση των ιντεγκρινικών υποδοχέων, υπεύθυνων για την προσκόλληση των κυττάρων στους MWCNTs. Με την τεχνική του περιστρεφόμενου δίσκου, εκτιμήθηκε η δύναμη προσκόλλησης των hMSCs στους MWCNTs και η επίδραση της κάθε ιντεγκρίνης στη μεταβολή της δύναμης προσκόλλησης. Για τη διερεύνηση της απόκρισης των οστεοβλαστών στη μηχανική φόρτιση, τα προσκολλημένα κύτταρα στους MWCNTs καταπονήθηκαν για 3 και 24 ώρες, με σύστημα μηχανικής φόρτισης βασισμένο στην Αρχή Κάμψης Τεσσάρων Σημείων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι, η φόρτιση επηρεάζει θετικά την έκφραση γονιδίων προσκόλλησης και δεικτών διαφοροποίησης. Επιπρόσθετα, μελετήθηκε η συμπεριφορά των hMSCs ως προς την κυτταροτοξικότητα, τον πολλαπλασιασμό, τη διαφοροποίηση, την οργάνωση του κυτταροσκελετού και την έκφραση γονιδίων προσκόλλησης, σε τροποποιημένες επιφάνειες MWCNTs με υδροξυλομάδες, καρβοξυλομάδες και αμινομάδες. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι, η αμινοτροποποιημένη επιφάνεια ευνόησε σημαντικά την κυτταρική συμπεριφορά σε σύγκριση με τις άλλες δύο επιφάνειες. Τέλος, μελετήθηκε η επίδραση της τοπογραφίας με χρήση κάθετα ευθυγραμμισμένων MWCNTs, σε σύγκριση με τυχαία προσανατολισμένους MWCNTs. Η απόκριση των hMSCs στους κάθετα ευθυγραμμισμένους MWCNTs ήταν καλύτερη σε σύγκριση με τους τυχαία προσανατολισμένους, τόσο ως προς τον πολλαπλασιασμό και τη διαφοροποίηση, όσο και ως προς την οργάνωση του κυτταροσκελετού. Τα αποτελέσματα της διατριβής είναι υποσχόμενα για το μελλοντικό σχεδιασμό βιοϋλικών με MWCNTs, με τελικό σκοπό την εφαρμογή σε θεραπείες στις οποίες απαιτείται ανακατασκευή του οστού. / The aim of the present study was the investigation of the interface of human Mesenchymal Stem Cells (hMSCs) – Multiwalled Carbon Nanotubes (MWCNTs), under static and dynamic conditions. MWCNTs have been proven to obtain unique electric and physical properties, mechanical strength and low density, which render them highly attractive for the design of biomaterials for orthopaedic applications. Firstly, the biocompatibility of MWCNTs was studied, in terms of hMSCs cytotoxicity, morphology, proliferation, differentiation, cytoskeleton organization and toxicity. The substrate of MWCNTs favored cell spreading, increased proliferation and promoted cell differentiation, as measured by the expression of alkaline phosphatase, osteopontin and osteocalcin. The gene expression of integrin receptors responsible for cell attachment on MWCNTs was studied. Using the Spinning Disc Technique, the attachment strength of hMSCs on MWCNTs was evaluated, as well as the impact of each integrin to the alteration of attachment strength. In order to investigate the cell response to mechanical loading, the attached cells on MWCNTs were stressed for 3 and 24 hours, using a system for mechanical loading based on the 4-point bending principle. Results showed that loading positively induces the expression of genes associated with attachment and differentiation markers. Additionally, the cell behavior concerning proliferation, differentiation, cytoskeleton organization, apoptosis and gene expression associated with attachment, was studied on MWCNTs after surface modification with hydroxyl-, carboxyl-, and amino- groups. The findings indicated that the amino- modified surface significantly favored the cell behavior, compared to the other two surfaces. Lastly, the topography effect was studied using vertically aligned MWCNTs. Cell response was found better on the vertically compared to the randomly oriented, in terms of proliferation, differentiation and cytoskeleton organization. The findings of the study are promising for the future design of biomaterials of MWCNTs, aiming for application in therapies where bone reconstruction is demanded.