Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2023, 14 (5), 530–538
Composite hydroxyapatite-multi-walled carbon nanotubes: study of porosity by terahertz time domain spectroscopy
Anastasiya E. Rezvanova – Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Tomsk, Russia; ranast@ispms.ru
Boris S. Kudryashov – Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Tomsk, Russia; bsk3@ispms.ru
Alexander N. Ponomarev – Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Tomsk, Russia; alex@ispms.ru
Anastasiya I. Knyazkova – Tomsk State University, the Faculty of Physics, Tomsk, Russia; a_knyazkova@bk.ru
Victor V. Nikolaev – Tomsk State University, the Faculty of Physics, Tomsk, Russia; vik-nikol@bk.ru
Yuri V. Kistenev – Tomsk State University, the Faculty of Physics, Tomsk, Russia; yuk@iao.ru
Corresponding author: A.E. Rezvanova, ranast@ispms.ru; B.S. Kudryashov, bsk3@ispms.ru
PACS 42.25.Gy, 42.25.-p, 33.60.Fy, 07.79.Fc
DOI 10.17586/2220-8054-2023-14-5-530-538
ABSTRACT Optical properties of a ceramic biocomposite material based on hydroxyapatite (HA) with the additives up to 0.5 wt.% of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) have been studied by terahertz time-domain spectroscopy in the frequency range 0.25 – 1.1 THz. It was found that the refractive index of the composite varies between 2.6 and 2.8 depending on the porosity of the material. The absorption coefficient decreases with increasing of MWCNTs concentration in the ceramic biocomposite. The values of the refractive index and the absorption coefficient of our ceramics close to those for cortical bone, dentine and enamel. The absorption curves show frequency peaks whose positions correspond to the macrocrystallite sizes. The size of macrocrystallites decreases with increasing concentration of MWCNTs, which leads to an increase in microhardness according to the Hall–Petch equation. The time delay of the terahertz signal through the sample increases for higher concentration of MWCNTs. This indicates that nanotubes embedded into the HA matrix fill the pores and decrease the area of the pore space, which increases the density of the ceramic composite and decreases its porosity.
KEYWORDS ceramic composite, hydroxyapatite, multi-walled carbon nanotubes, terahertz spectroscopy, porosity
ACKNOWLEDGEMENTS The work by Rezvanova, Ponomarev, and Kudryashov was performed within the Government Statement of Work for the ISPMS SB RAS, project FWRW-2022-0002 and FWRW-2021-0007. The research by Knyazkova, Nikolaev, and Kistenev was supported by the grant under RF Government Decree No. 220 dated 09 April 2010 (Agreement No. 075-15-2021-615 of 04 June 2021). The authors are grateful
to A. A. Neiman from the Nanotekh Regional Core Facility Centre of the Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS for his help with SEM images.
FOR CITATION Rezvanova A.E., Kudryashov B.S., Ponomarev A.N., Knyazkova A.I., Nikolaev V.V., Kistenev Yu.V. Composite hydroxyapatite-multi-walled carbon nanotubes: study of porosity by terahertz time domain spectroscopy. Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2023, 14 (5), 530–538.
[In Russian] Резванова Анастасия Евгеньевна, Кудряшов Борис Сергеевич, Пономарёв Александр Николаевич, Князькова Анастасия Игоревна, Николаев Виктор Владимирович, Кистенёв Юрий Владимирович
Композит гидроксиапатит-многостенные углеродные нанотрубки: Исследование пористости методом терагерцовой спектроскопии во временной области
АННОТАЦИЯ Методом терагерцовой спектроскопии во временной области в диапазоне частот 0.25-1.1 ТГц изучены оптические свойства керамического биокомпозитного материала на основе гидроксиапатита (ГА) с добавками до 0.5 мас.% многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ). Было обнаружено, что показатель преломления композита колеблется от 2.6 до 2.8 в зависимости от пористости материала. Коэффициент поглощения уменьшается с увеличением концентрации МУНТ в керамическом биокомпозите. Значения показателя преломления и коэффициента поглощения нашей керамики близки к таковым для кортикальной кости, дентина и эмали. Кривые поглощения показывают частотные пики, положение которых соответствует размерам макрокристаллитов. Размер макрокристаллитов уменьшается с увеличением концентрации МУНТ, что приводит к увеличению микротвердости в соответствии с уравнением Холла-Петча. Временная задержка прохождения терагерцового сигнала через образец увеличивается при более высокой концентрации МУНТ. Это указывает на то, что нанотрубки, внедренные в матрицу ГА, заполняют поры и уменьшают площадь порового пространства, что увеличивает плотность керамического композита и уменьшает его пористость.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА керамический композит, гидроксиапатит, многостенные углеродные нанотрубки, терагерцовая спектроскопия, пористость.
