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化学

エジプトの青と漢青、二アルカリ土類銅シリケート系顔料の剥離

Published: April 24, 2014
doi:
10.3791/51686
,
1Department of Chemistry,The University of Georgia

Summary

CaCuSi 4 O 10とBaCuSi 4 O 10の調製および剥離が記載されている。 BaCuSi 4 O 10は、有機溶媒中で超音波処理を必要とするのに対し、熱湯中で攪拌すると、CaCuSi 4 O 10は自然に、単層に剥離する。近赤外（NIR）イメージングは​​、これらの材料のNIR放出特性を示し、これらのナノ材料の水性分散液は、溶液処理のために有用である。

Abstract

現代との接続古代過去の可視化の例では、CaCuSi 4 O 10とBaCuSi 4 O 10、歴史的なエジプトの青と漢青色顔料の着色成分の製造および剥離を説明します。これらの材料のバルク形態は、両方の生成物の結晶子サイズをある程度制御を提供磁束固体ルートを溶融することによって合成される。溶融型フラックスのプロセスは、時間集約的であるが、それは、より低い反応温度で比較的大きな結晶を生成する。比較して、固体の方法はまだ高い反応温度を必要とし、より小さな微結晶を生じる速い。お湯で撹拌する時には、CaCuSi 4 O 10は、自然発生的にTEMおよびPXRDによって特徴付けられる単層ナノシートの中に剥離し。一方BaCuSi 4 O 10は、剥離を達成するために、有機溶媒中で超音波を必要とします。近赤外画像を示していバルクとCaCuSi 4 O 10とBaCuSi 4 O 10のナノシート型の両方が強い近赤外エミッタであること。彼らが処理するための新しい方法を提供し、特徴づける、およびコロイド形態で、これらの材料を加工しておりますので、水CaCuSi 4 O 10とBaCuSi 4 O 10ナノシート分散液を使用すると便利です。

Introduction

鮮やかな色は、古代世界中で珍重された。今日でも、我々はまだすべての主要な文化によって作成された顔料や染料の遺跡を見ることができます。驚くべきことに、最も有名な合成青色顔料の2は大きく異なる時間と場所で開発されたにも関わらず、同様の化学組成と構造を共有しています。両方エジプトブルー、CaCuSi 4 O 10、および漢青、BaCuSi 4 O 10の着色成分としては、アルカリ土類銅四ケイ素シリーズ、ACuSi 4 O 10（A = CA、SR、BA）1だけでなく、に属している大きなgillespiteグループ、ABSi 4 O 10（B =鉄、銅、クロム） の2,3。

伝統的な顔料用途を超えて、これらの物質の現在の科学的興味は彼らの強い近赤外（NIR）の発光特性を中心。この発光は平面四配位のCu 2 +に由来する。これらのイオンは、四面体によって連結されている三次元結晶構造内リットルのケイ酸部分、及びアルカリ土類イオンが4-6で得られた層を交互。最近の技術のハイライトは、文化遺産の成果物7,8エジプトや漢青色顔料を識別するためのNIRイメージング、NIR反射特性を向上させ、新たなエネルギー移動が9,10パスウェイ開くためACuSi 4 O 10のランタニドドーピング、ACuSi 4 O 10の使用を含む光学センサ11、及び単層ナノシート12にCaCuSi 4 O 10の剥離のための活物質として。

特に、この最後の例は、コロイド状分散体としてではなく、固体粒子12として取り扱うことができるようにCaCuSi 4 O 10ナノ構造をする方法を提供する。コロイド分散液は、溶液処理技術（ 例えば、スピンコーティング、インクジェット印刷、レイヤー·バイ·レイヤーdeposiと互換性があるためTiONから）、この進歩は、セキュリティインクから生物医学イメージングの範囲新しい応用分野を開く。この貢献に示した実験プロトコルは、準備し特徴づける、およびCaCuSi 4 O 10とBaCuSi 4 O自分の仕事に10ナノシートを使用するように多様な背景からの研究者を可能にします。

Protocol

1。準備CaCuSi 4 O 10 CaCuSi 4 O 10の溶融フラックス合成 SiO の CaCO 3を 0.1331グラム（1.330ミリモル）、0.3196グラム（5.319ミリモル）、0.1470グラム（：2時08分01秒モル比でのCaCO 3、SiO 2の、及びCu 2 CO 3（OH）2を秤量のCu 2 CO 3の0.6648ミリモル）（OH）2。また、フラックス成 ​​分（12.5重量％）秤量：のNa 2 CO 3の0.0375グラム、0.0125グラムのNaCl、及びNa 2 B 4 O 7の0.0250グラムを10H 2 Oをきれいなメノウ乳鉢にこれらの材料を追加します。 メノウ乳棒で〜5分間のハンドグラインド混合物が均一に薄緑色の粉末（ 図1Aおよび2A）になるまで。清潔で乾燥した白金るつぼに、この混合物を転送します。 875℃（2℃/分のランプ速度）に、炉内のるつぼを加熱し、保持するその後、16時間、および875℃で、室温（0.8℃/分の速度）まで冷却。 るつぼから結晶を取り出して、そっと乳棒を使用してそれらを押しつぶす。 結晶が溶融フラックスを除去するために、一晩、1M HCl水溶液50mlに浸漬することができ。 結晶を濾過し、完全に残っている溶融フラックスを除去するための脱イオン水で洗ってください。 注：この材料は、粉末X線回折（PXRD）分析（ 図5）のための微細な粉末に粉砕されるべきである。また、光学顕微鏡法（ 図3）、走査電子顕微鏡（SEM）（ 図4）、およびNIR写真（ 図8）によって特徴付けることができる。 CaCuSi 4 O 10のソリッドステートの合成 CaCO 3を 0.1331グラム（1.330ミリモル）、SiO 2を 0.3196グラム（5.319ミリモル）、および0.1058グラムのCuO（1.330ミリモル）午前1時04分01秒のモル比でのCaCO 3、SiO 2の、及びCuOを量るときれいなメノウ乳鉢に追加する。 〜5分間メノウ乳棒で1〜2ミリリットルのアセトンとハンドグラインドとの粉末混合物を湿らせます。白金るつぼに得られる光灰色の粉末（ 図1b及び2b）を転送。 、5℃/分の昇温速度で1,020℃までのボックス炉内で坩堝を加熱し16時間保持し、次いで室温に冷却するポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、スパチュラを使用して緩んで、ライトブルー、灰色の粉末を掻き出す。 注：生成物は光学顕微鏡法（ 図3）によって特徴付けることができる、SEM（ 図4）、PXRD（図5）、およびNIR写真（ 図8）。 BaCuSi 4 O 10の2の合成 BaCuSi 4 O 10の溶融フラックス合成 午前1時04分01秒のモル比でのBaCO 3、SiO 2の、及びCuOを量る。0.2085グラムのBaCO 3（1.057ミリモル）、0.2539グラムのSiO 2（4.226ミリモル）、および0.0840グラムのCuO（1.056ミリモル）を加えた。 PbOを0.0765グラム：また、フラックス成分（12.5重量％）を秤量。きれいなメノウ乳鉢にこれらの材料を追加します。 メノウ乳棒で〜5分間のハンドグラインド混合物が均一に明るい灰色の粉末になるまで（ 図1Cおよび2C）。清潔で乾燥した白金るつぼに、この混合物を転送します。 24時間950℃で保持し、950℃（2℃/分のランプ速度）に、炉内のるつぼを加熱し、その後徐々に最終的に700℃（0.1℃/分の速度）まで冷却し、室温まで冷却。 るつぼから結晶を取り出して、そっと乳棒を使用してそれらを押しつぶす。 結晶が溶融フラックスを除去するために1M水性HNO 3晩の50ミリリットルに浸ることができます。 結晶を濾過し、完全に溶融型フラックスの残りを除去するために脱イオン水で洗浄する。注：このMAterialはPXRD分析のための細かい粉末（ 図6）に粉砕しなければならない。また、光学顕微鏡法（ 図3）及びNIR写真（ 図8）によって特徴付けることができる。 BaCuSi 4 O 10のソリッドステートの合成午前1時04分01秒のモル比でのBaCO 3、SiO 2を 、及びCuOを秤量：0.2085グラムのBaCO 3（1.057ミリモル）、0.2539グラムのSiO 2（4.226 mmol）、および0.0840グラムのCuO（1.056 mmol）およびに追加きれいなメノウ乳鉢。 〜5分間メノウ乳棒で1〜2ミリリットルのアセトンとハンドグラインドとの粉末混合物を湿らせます。白金るつぼに得られる光灰色の粉末（ 図1Dおよび2D）を転送。 5℃/分のランプ速度で960℃まで、ボックス炉内で坩堝を加熱し、室温に冷却し、次いで、16時間保持する。 ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、スパチュラを使って緩やかな青色粉末を掻き出す。注意：生成物を光学顕微鏡（ 図3）、PXRD（図6）、およびNIR写真（ 図8）によって特徴付けることができる。 CaCuSi 4 O 10の3。エクスフォリエーション 0.50 CaCuSi 4 O 10 gの脱イオン水40ml、およびガラス被覆磁気攪拌棒を備えた50mlの丸底フラスコを充電する。 フラスコに水冷凝縮を取り付けます。 2週間400rpmで磁気撹拌しながら85℃までの反応を加熱する。 、熱源から削除ソリューションは邪魔されずに一晩を解決することを可能にし、その後0.4μmのメンブランフィルターで上澄みをろ過する。真空は固体を乾燥させます。注：生成物は、光学顕微鏡によって特徴付けすることができる光青色の粉末（ 図3）、PXRD（図5）、透過型電子顕微鏡（TEM）（ 図7）で、NIR写真（ 図URE 8）。 BaCuSi 4 O 10の4。エクスフォリエーション BaCuSi 4 O 10および0.14gのN-ビニルピロリドン20mlでの50mlプラスチック遠心管を充電する。 遠心管を氷/水浴中に浸漬して、1時間、40％の振幅（W 17）におけるプローブ超音波処理して超音波処理。 分散決済一晩乱さましょう、そして、新しい遠心チューブに上清をデカント。 遠心分離機を用いて10286×gでスピンダウン。遠心管の底にナノシートを残して、上清をデカント。 風呂超音波処理の数分で20mlの水にこの材料を懸濁します。粉末を単離するために、固形物を乾燥さ0.4μmの膜フィル​​ター、真空でろ過する。注：製品は、光学顕微鏡によって特徴づけることができるライトブルーの粉末である（ 図3）、PXRD（図6）、TEM（図7 </strong>）、および近赤外写真（ 図8）。 5。インク調製 〜CaCuSi 4の0.10グラムを分散O 10分〜のために風呂超音波処理を用いて、脱イオン水に5ミリリットル中10ナノシート。注：このインク（ 図9）は、インクが紙にブラシで塗布した代表例を図10を参照塗装、印刷などのために使用することができる。 6。近赤外写真画像光の任意の他の源を排除するように注意しながら、赤色光（ 例えば、赤色発光の発光ダイオードアレイを有する）を用いて試料を照射する。 近赤外領域の画像に修正されたカメラを用いて撮影する。数値F22と0.5秒の露光時間を設定Fストップを使用してください。

Representative Results

CaCuSi 4 O 10とBaCuSi 4 O 10の記載された合成は、バッチ当たりの製品の約0.5グラムを提供する。溶融型フラックスと固体の合成からCaCuSi 4 O 10の単離された収率は、典型的には、それぞれ、70〜75％及び90〜95％の範囲である。 BaCuSi 4 O 10、用 溶融型フラックスと固体の合成から単離された収率は、典型的には、それぞれ、65〜70％及び95〜99％の範囲である。 準備された材料の全てのテクスチャだけでなく、原因変え結晶サイズへの青色の強度の違いは、低倍率の光学顕微鏡（ 図3a〜h）で表示されます。フラックスの条件が導く溶融のに対し、走査型電子顕微鏡（SEM）画像は4 O 10 CaCuSiを合成するソリッド·ステート·メソッドが生成されていることを確認〜1月15日であっ次結晶（ 図4b）〜5から50ミクロンの結晶リコピン allites（ 図4a）。 CaCuSi 4 O 10（ 図5aおよび図5c）およびBaCuSi 4 O 10（ 図6aおよび6c）の組成物とこれらの製品の相純度を紹介するための粉末X線回折（PXRD）パターン。 代表的な透過型電子顕微鏡（TEM）画像は、剥離生成物ナノシートの形態（ 図7）を示す。また、近赤外写真画像は、バルクおよび剥離した材料（ 図8）の両方の強い発光を示している。 CaCuSi 4 O 10ナノシートの溶液加工性を説明する簡単な方法は、水性インク塗装に適した（ 図9）（図10）を調製することである。 hres.jpg "SRC =" / files/ftp_upload/51686/51686fig1.jpg "/> 図1のハンドグラウンドの写真が出発原料の（a）CaCuSi 4 O 10溶融型フラックスと、（b）CaCuSi 4 O 10の固体、（c）はBaCuSi 4 O 10溶融型フラックスと、（d）BaCuSi 4 O 10固体合成。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。 図2走査電子顕微鏡。ハンドグランドの画像は（a）の CaCuSi 4 O 10溶融型フラックスの原料、（ <st栄> b）はCaCuSi 4 O 10の固体、（c）はBaCuSi 4 O 10溶融型フラックスと、（d）BaCuSi 4 O 10の固体合成。すべてのサンプルは、前に画像を金でコーティングした。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。 図3光学顕微鏡。バルクCaCuSi溶融フラックス（a）および固体状態（b）の手順によって調製4 O 10。溶融フラックス（c）および固体状態（d）の手順によって調製バルクBaCuSi 4 O 10。剥離した製品（EH）の（ – d）は、それぞれ。すべての画像は、パネル内の1ミリメートルのスケールバーのショーを共有する（A）。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。 図4：走査型電子顕微鏡。バルクCaCuSiの画像溶融フラックス（a）および固体状態（b）の方法により製造4 O 10。サンプルは、前に画像化に金をコーティングした。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。 686/51686fig5highres.jpg "幅=" 500 "/> 図5の粉末X線回折：CaCuSi 4 O 10、溶融フラックス（a）および固体状態（c）の方法により調製バルクCaCuSi 4 O 10のパターン。アスタリスクは、シリカ不純物を示す。剥離したCaCuSi 4 O 10のパターン、（b）および（d）は、それぞれ、（A）から製造し、（c）に、この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。 。図6、粉末X線回折：バルクBaCuSi溶融フラックスで調製した4 O 10のためBaCuSi 4 O 10パターン（ <strオング> a）と固体（C）の方法。アスタリスクは、シリカ不純物を示している。剥離したBaCuSi 4 O 10のパターン、（b）および（d）は、それぞれ、（A）から製造し、（c）に、この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。 図7。透過型電子顕微鏡。剥離しCaCuSi溶融フラックス（A）またはソリッド·ステート（B）の方法により製造バルクCaCuSi 4 O 10から派生した4 O 10の代表的な画像。剥離しBaCuSiバルクから派生した4 O 10の代表的な画像BaCuSi溶融フラックス（c）またはソリッド·ステート（D）法によって作製4 O 10は 、この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。 溶融フラックス（a）および固体状態（b）の手順によって調製バルクCaCuSi 4 O 10の図8近赤外イメージング。発光。溶融フラックス（c）および固体状態（d）の手順によって調製バルクBaCuSi 4 O 10の発光。それぞれ（AD）の剥離した製品（EH）、の発光。粉末試料をガラスバイアル、およびentir内に含まれているサンプルのEセットが一度に画像化した。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。 図9。バイアル中のCaCuSi 4 O 10ナノシートインクの写真。 図10。近赤外イメージング。そのシンプルなアプリケーションとその発光特性の両方を示してCaCuSi 4 O 10ナノシートインクで初歩的な絵。

Discussion

エジプトの青色顔料の製造、主にCaCuSi 4 O 10とSiO 2の混合物は、よく研究されたプロセス4,13-21である。いずれかが、フラックス又は固相反応を溶融として多数報告された手法に分類することができる。溶融フラックスアプローチの2つの大きな利点は、低い反応温度（<900°C）を可能にし、核形成、溶融ガラス相20から成長するCaCuSi 4 O 10の結晶を可能にすることである。フラックス成 ​​分は、典型的には、アルカリ塩（ 例えば 、Na 2 CO 3）またはホウ酸化合物（ 例えば、ホウ砂）である。比較では、固体合成は、フラックスを省略し、完了に到達するために、より高いカルシウム、CuOの間の反応のための温度（〜1000℃）、およびSiO 2の供給源を必要とする。

漢青色顔料の合成は、同様にエジプトの青い4,22-25のものとして検討されていませんが、Bの製造aCuSi 4 O 10は、同様の溶融型フラックスと2つの違いを有する固体ルートを、以下の（1）のPbOフラックスを使用する必要があり、（2）反応温度は、より密接ための代替のBa-Cu系のa-Si-O相の制御されなければならないすなわち、（ 例えば、BaCuSi 2 O 6）を形成することができる。

これらの点は、このホワイトペーパーで説明する詳細な手順や結果によって示されている。まず、すべてのメソッドのために、出発物質は（; 図2A-D SEMによって特徴付けられる）5〜20μmの粒子からなる滑らかな粉末（ 図1A〜D）に粉砕しなければならない。次に、CaCuSi 4 O 10とBaCuSi 4（ 図3a及び3c）の強い青色着色によって特徴づけられる高結晶性生成物への10 Oのリードの調製におけるフラックスの有意な量（12.5重量％）を用い、比較的大きな粒子サイズ（図4a </strong>）、および強力なPXRDパターン（ 図5aおよび図6a）。これらの調製物から単離された収率は減少（〜70％）を、るつぼに溶融した反応混合物の付着によって引き起こされる。比較では、CaCuSi 4 O 10とBaCuSi固体経路を示す未満強い着色（ 図3b及び3d）の小さい粒径により調製4 O 10（ 図4b）。合成されたように、これらの製品は、ほぼ定量的収率で単離することができる粉末である。従って、CaCuSi 4 O 10とBaCuSi 4 O 10の両方について、フラックスと反応温度の重要性の利点は誇張することはできません。

驚くべきことに、CaCuSi 4 O 10とBaCuSi 4 O 10の剥離が簡単な水性条件下で発生します。 CaCuSi 4 O 10の場合には、この反応は室温でかなり低速である温度（≥6週間感知できる剥離を参照する）が、それは80℃（2週間後、実質的な剥脱）で合成的に有用なになります。比較すると、BaCuSi 4 O 10の剥離があっても80℃で低迷しており、私たちは、超音波の形で、さらに大きなエネルギー入力を適用します。これらの反応は、2点に注意して信頼性が高い。 CaCuSi 4 O 10、用 それはガラス被覆攪拌棒を使用することが重要である。標準のPTFEコーティングされた攪拌棒を使用した場合、我々は、PTFE副産物がCaCuSi 4 O 10ナノシートの生成物を汚染ことがわかります。 BaCuSi 4 O 10の場合は、ナノシートが悪くなる前に反応が停止するように超音波パワーと時間を制御することが重要である。

ナノシート生成物の透過型電子顕微鏡（TEM）は、これらの非常に薄い材料は、数百ナノメートルから数マイクの範囲の横寸法を有することを示すRONS。一般に、これらの横方向の寸法は、三次元出発材料の結晶子の大きさと相関する。以前の研究では、原子間力顕微鏡は、これらのナノシート12の単層の厚さ（〜1.2 nm）を実証地形図を提供した。粉末の写真はCaCuSi 4 O 10とBaCuSi 4 O 10ナノシートサンプル（ 図3eは-h）は 、それらの色は、出発物質、ナノ構造の直接の結果よりも低い強度であることを示している。

追加情報は、（001）面とナノシートすべての試料について00 リットル {}系列に沿って優先方位に沿って切断基礎を明らかにするPXRD（ 図5および図6）によって提供される。これらの機能は、基板上にドロップキャストこれらの高異方性ナノ材料の積層配置を反映しています。さらに、〜9時CaCuSi 4 O 10の特徴的な近赤外放射〜950 nmの10 nmおよびBaCuSi 4 O 10は、全ての8つのサンプルのNIR写真（ 図8）に示されている。

CaCuSi 4 O 10の溶液処理は、単にインクとして使用するCaCuSi 4 O 10ナノシートのコロイド分散（ 図9）を調製することにより達成することができる。このインクは、次いで、スピンコート、スプレーコート、12はインクジェット印刷、または単にブラッシング（ 図10）を介して基板に適用することができる。重要なのは、CaCuSi 4 O 10の近赤外発光特性は、このプロセスのすべての段階で保持されている。これらの新たな可能性がCaCuSi 4 O 10ナノシートとエジプトの青色顔料、スムーズな塗料に組み込む挑戦している、高度に粒状物質の伝統的な使用との間のコントラストを強調している。

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

我々は、この研究で使用した炭酸バリウムのためのNIRイメージング機器および博士Rasik Raythatha（ソルベ機能化学品）を提供するため教授マーク·アッベ（UGA）に感謝。私たちは、合成方法をテストしましたイザヤノリス（UGA学部）とテラBlevins（北オコニー高校）の努力を認める。

Materials

Name of Material/ Equipment Supplier Catalog Number Comments/Description
Sodium carbonate (Na2CO3) Sigma Aldrich  S7795 bioXtra, ≥ 99.0 %
Calcium carbonate (CaCO3) Sigma Aldrich  C4830 bioXtra, ≥ 99.0 %
Barium carbonate (BaCO3) Solvay Performance Chemicals Research sample: Electronic-grade purity, nanocrystalline
Copper (II) carbonate basic (Cu2CO3(OH)2)   Sigma Aldrich  207896 Reagent grade
Copper (II) oxide (CuO)  Sigma Aldrich  450812 99.99 % trace metals base
Silicon dioxide (SiO2) Sigma Aldrich  S5631 ~99 %, particle size 0.5-10 μm (approx. 80% between 1-5 μm)
Sodium tetraborate decahydrate (Na4B4O7.10H2O) Sigma Aldrich  S9640 ACS ≥ 99.5 %
Sodium chloride (NaCl)  Sigma Aldrich  S9888 ACS ≥ 99.0 %
Lead (II) oxide (PbO)  Sigma Aldrich  402982 ACS ≥ 99.0 %
N-Vinylpyrrolidinone (C6H9NO) Sigma Aldrich  V3409 contains sodium hydroxide as inhibitor, ACS ≥ 99.0 %
Box Furnace Fisher Scientific
Box Furnace Carbolite
Bath Sonicator Branson
Ultrasonicator Qsonica Q700 Sonicator
Camera custom modification of Nikon D3000 camera n/a Xnite Nikon D3000 camera with a Nikkor 18-200 mm lens and a Xnite 830 filter 
Light Source Excled Ltd. PAR64 LED Colour Beamer
Light Microscope Leica mz6 Stereomicroscope with Spot Idea camera and Software
Powder X-Ray Diffractometer Bruker  D8-Advance diffractometer (Co-Kα radiation source)
Transmission Electron Microscope FEI Technai
Scanning Electron Microscope FEI
Membrane filters Millipore HTTP04700 Isopore Membrane filter with 0.4 µm pore size
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Egyptian BlueHan BlueAlkali Earth Copper SilicatePigmentExfoliationNanosheetsNear Infrared EmissionMelt Flux SynthesisSolid-state Synthesis

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Johnson-McDaniel, D., Salguero, T. T. Exfoliation of Egyptian Blue and Han Blue, Two Alkali Earth Copper Silicate-based Pigments. J. Vis. Exp. (86), e51686, doi:10.3791/51686 (2014).
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