تطعيم الأنابيب النانوية الكربونية مولتيواليد مع البوليستيرين لتمكين التجميع الذاتي والرقع متباين
Summary
إجراء لخطوات تركيب الأنابيب النانوية الكربونية مولتيواليد البوليستيرين المطعمة باستخدام التعديل الكيميائية المتتابعة بصورة انتقائية إدخال سلاسل البوليمر سيديوالس والتجميع الذاتي عن طريق الرقع متباين قدم.
Abstract
نظهر بروتوكولا مباشرة graft الأنابيب النانوية الكربونية مولتيواليد البكر (MWCNTs) مع سلاسل البوليستيرين (PS) في سيديوالس من خلال استراتيجية بلمرة الجذور الحرة لتمكين تحوير الخصائص السطحية أنبوب نانوي و إنتاج سوبراموليكولار التجميع الذاتي للنانو. أولاً، يخلق hydroxylation انتقائي للأنابيب النانوية البكر من خلال فعل أكسدة ثنائية الطور حفازة وساطة مواقع رد الفعل سطحي الموزعة في سيديوالس. بعد ذلك يتم تعديل مواقع رد الفعل الأخير مع ميثاكريليك مويتيس باستخدام سيليلاتيد ميثاكريليك تمهيدا لإنشاء مواقع بوليميريزابل. يمكن معالجة تلك الجماعات بوليميريزابل البلمرة المزيد من الستيرين لإنتاج نانوماتيريال هجينة التي تحتوي على سلاسل PS المطعمة سيديوالس أنبوب نانوي. تحديد محتوى البوليمر-الاختلاس ومقدار مويتيس ميثاكريليك سيليلاتيد وعرض وتعديل هيدروكسيليشن للأنابيب النانوية وكمياً بتحليل ثيرموجرافيميتريك (TGA). وجود رد الفعل من المجموعات الوظيفية الهيدروكسيل وسيليلاتيد ميثاكريلات تؤكدها “فورييه تحويل الأشعة تحت الحمراء الطيفي” (FT الأشعة تحت الحمراء). توفر حلول أنبوب نانوي المطعمة البوليستيرين الكربون في رباعي هيدرو الفوران (THF) ويتم تحليل عينات الأنابيب النانوية كولينيرلي الذاتي تجميعها عندما يلقي الجدار إلى الجدار مجهر إلكتروني (TEM). لا يتم الحصول على تلك المتمتعة بالحكم الذاتي-التجميعات عندما يلقي الفراغات مناسبة وبالمثل من حلول مماثلة تحتوي على نظرائهم غير المطعمة. ولذلك، يتيح هذا الأسلوب تعديل أنبوب نانوي الرقع متباين في سيديوالس مما يؤدي إلى منظمة التلقائي عفوية في النانو.
Introduction
ومنذ اكتشاف الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدران (سوكنتس)،،من12 المجتمعات العلمية التي طبقت على الخصائص الكهربائية والميكانيكية والحرارية المعلقة3 في مجموعة واسعة من أحدث التطبيقات بتحوير خصائص السطح عبر التساهمية4 واستراتيجياتها غير التساهمية5 . تتضمن أمثلة هذه التطبيقات استخدامها كمحولات الطاقة في أجهزة الاستشعار، واقطاب7 6،في الخلايا الشمسية، ويدعم8 غير متجانسة في الحفز، نانوريكتورس9 في التوليف،10 القاذورات وكلاء في الواقية،11 الحشو في المواد المركبة،12إلخ. ومع ذلك، ظلت إمكانية لتعديل خصائص السطح أكثر قوة، بعد نظرائهم مولتيواليد صناعيا المتاحة هي: موكنتس، للتحكم في الاتجاه في تفاعلاتها غير التساهمي في النانو، مهمة صعبة المهمة حتى الآن. 13
سوبراموليكولار التجميع الذاتي لبنات البناء الجزيئي إحدى الاستراتيجيات الأكثر تنوعاً للتحكم في تنظيم هذه المسألة في النانو. 14 , 15 في هذا المعني، التفاعلات سوبراموليكولار تنطوي على الاتجاه، قصيرة المدى ومتوسطة المدى التفاعلات غير التساهمية مثل ح-السندات، فإن دير فالس، ثنائي قطب-ثنائي قطب، أيون-ثنائي قطب، الناجمة عن ثنائي قطب ثنائي القطب، التراص π-π، الموجبة π، انيون-π، كولومبيك، من بين أمور أخرى. 16 للأسف، اتجاهية في التجميع الذاتي للهياكل الكبيرة مثل MWCNTs ليست عفوية وعادة ما يتطلب قوات الدافع الخارجي (مثل قوالب أو نظم تبديد الطاقة). 17 ظلت نادراً ما استكشفت التفاف غير التساهمية تقرير المستخدمة مؤخرا للأنابيب النانوية مع البوليمرات المشارك مصممة لتحقيق الهدف الأخير،18 لكن استخدام استراتيجيات التساهمية لتقديم بدائل جديدة لحل هذه المشكلة.
يمكن إجراء التعديل الكيميائي للأنابيب النانوية الكربونية بشكل انتقائي لإدخال مجموعات وظيفية مختلفة تيرميني أو سيديوالس من نفس. 19 , 20 أحد النهج الأكثر فائدة لتكييف الخصائص السطحية في الكربون النانو تطعيم البوليمر من خلال طرق البلمرة القياسية. عادة، تتضمن تلك النهج مقدمة أولية من بوليميريزابل أو مجموعات البادئ (اﻷكريليك، الفينيل، إلخ.) على سطح نانوستروكتوري وبهم البلمرة المتعاقبة مع مونومر مناسبة. 21 في حالة موكنتس، ظلت التساهمية إدخال سلاسل البوليمر على سيديوالس للسيطرة على البقع بشكل متباين تحديا.
هنا سوف نعرض كيف يمكن تطبيق سلسلة من تعديل المواد الكيميائية مباشرة الخطوات22،23 لإدراج سلاسل PS على سيديوالس موكنتس أجل تعديل تلك الرقع السطحية والنهوض بهم متباين التجميع الذاتي23 على النانو. أثناء مسار التعديل، يسمح خطوة أولى ل hydroxylation انتقائية من موكنتس البكر في سيديوالس باتباع ثنائية الطور وساطة حفازة تفاعل الأكسدة تسفر عن نظرائهم الهيدروكسيلية هما موكنت-يا. يستخدم خطوة ثانية 3–(تريميثوكسيسيليل) بروبيل ميثاكريلات (تمسبما) لإدخال سيليلاتيد ميثاكريليك مويتيس إلى مجموعات الهيدروكسيل التي تم إنشاؤها مسبقاً (موكنت-س-تمسبما). ستوفر هذه إدراج مواقع رد الفعل السطحية خلال الخطوة الثالثة، عندما يتم بلمرة مونومر الستايرين من مويتيس ميثاكريليك وهكذا تسفر عن سلاسل البوليمر المطعمة على سيديوالس للأنابيب النانوية في النهاية (أي موكنت-س-س).
Protocol
Representative Results
Discussion
في هذا الأسلوب، وهناك بعض الخطوات التي تؤدي إلى أهمية حاسمة لضمان نجاح عملية تطعيم. أولاً، ينبغي أن تنفذ رد فعل أكسدة حفازة وساطة ثنائية الطور (الخطوة 1، 1) مع الأنابيب النانوية الكربونية متفرقة مؤخرا (الخطوة 1.1.1.5). إذا تشتت النتائج غير قادرة على البقاء ووفقا للتوصيات الواردة في البروتوكول، …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ونود أن نعترف بالبرامج بيب الرمزية ودجابا-بابيت من “الجامعة الوطنية المستقلة في المكسيك” (منحة الأرقام 5000-9158، 5000-9156، IA205616 و IA205316) و “المجلس الوطني” للعلوم والتكنولوجيا من المكسيك-مبرزين-(منح عدد 251533).
Materials
| Tetrapropylammonium bromide, 99 % (TPABr) | Sigma-Aldrich | 88104 | Irritant, toxic |
| Potassium permanganate, 99 % (KMnO4) | Sigma-Aldrich | 223468 | |
| Acetic acid, 99.5 % | Sigma-Aldrich | 45726 | |
| Pristine multiwalled carbon nanotubes, 99 % (MWCNTs) | Bayer Technology Services | Donated sample | Harmful dusts. >1 mm in length and 13–16 nm in outer diameter. Alternative supplier: Nanocyl, Catalog N. NC7000, website: http://www.nanocyl.com/ |
| Sodium Chloride, 98 % (NaCl) | Sigma-Aldrich | S3014 | Technical grade can also be used |
| Ethanol, 99.8 % (EtOH) | Sigma-Aldrich | 32221 | Technical grade can also be used |
| Methanol, 99.8 % (MeOH) | Sigma-Aldrich | 322415 | Highly toxic. Technical grade can also be used |
| Hydroquinone, 99 % | Sigma-Aldrich | H9003 | |
| Toluene, 99.8 % | Sigma-Aldrich | 244511 | Anhydrous |
| 3-(Trimethoxysilyl)propyl methacrylate, 98 % (TMSPMA) | Sigma-Aldrich | 440159 | Air sensitive, toxic |
| Azobisisobutyronitrile, 99 % (AIBN) | Sigma-Aldrich | 755745 | Explosive |
| Styrene, 99 % | Sigma-Aldrich | S4972 | Purified using an alumina gel preparative column and stored at 4 °C |
| Acetone, 99.5 % | Sigma-Aldrich | 179124 | Technical grade can also be used |
| Tetrahydrofuran, 99.9 % (THF) | Sigma-Aldrich | 494461 | |
| Dichloromethane, 99.5 % | Sigma-Aldrich | 443484 | Highly toxic |
| Hydrochloric acid, 37 % | Sigma-Aldrich | 435570 | Harmful fumes |
References
- Iijima, S. Helical Microtubules of Graphitic Carbon. Nature. 354, 56-58 (1991).
- Iijima, S., Ichihashi, T. Single-Shell Carbon Nanotubes of 1-nm Diameter. Nature. 363, 603-605 (1993).
- Dai, H. Carbon Nanotubes: Synthesis, Integration and Properties. Acc. Chem. Res. 35, 1035-1044 (2002).
- Karousis, N., Tagmatarchis, N. Current Progress on the Chemical Modification of Carbon Nanotubes. Chem. Rev. 110, 5366-5397 (2010).
- Zhao, Y. L., Stoddart, J. F. Noncovalent Functionalization of Single-Walled Carbon Nanotubes. Acc. Chem. Res. 42, 1161-1171 (2009).
- Zelada-Guillén, G. A., Riu, J., Düzgün, A., Rius, F. X. Immediate Detection of Living Bacteria at Ultralow Concentrations Using a Carbon Nanotube Based Potentiometric Aptasensor. Angew. Chem. Int. Ed. 48, 7334-7337 (2009).
- Zelada-Guillén, G. A., Blondeau, P., Rius, F. X., Riu, J. Carbon Nanotube-Based Aptasensors for the Rapid and Ultrasensitive Detection of Bacteria. Methods. 63, 233-238 (2013).
- Jung, Y., Li, X., Rajan, N. K., Taylor, A. D., Reed, M. A. Record High Efficiency Single-Walled Carbon Nanotube/Silicon p-n Junction Solar Cells. Nano Lett. 13, 95-99 (2013).
- Escárcega-Bobadilla, M. V., Rodríguez-Pérez, L., Teuma, E., Serp, P., Masdeu-Bultó, A. M., Gómez, M. Rhodium Complexes Containing Chiral P-Donor Ligands as Catalysts for Asymmetric Hydrogenation in Non Conventional Media. Chem. Soc. Rev. 141, 808-816 (2011).
- Miners, S. A., Rance, G. A., Khlobystov, A. N. Chemical Reactions Confined within Carbon Nanotubes. Chem. Soc. Rev. 45, 4727-4746 (2016).
- Rege, K., Raravikar, N. R., Kim, D. Y., Schadler, L. S., Ajayan, P. M., Dordick, J. S. Enzyme-Polymer-Single Walled Carbon Nanotube Composites as Biocatalytic Films. Nano Lett. 3, 829-832 (2003).
- Ma, R., Menamparambath, M. M., Nikolaev, P., Baik, S. Transparent Stretchable Single-Walled Carbon Nanotube-Polymer Composite Films with Near-Infrared Fluorescence. Adv. Mater. 25, 2548-2553 (2013).
- De Volder, M. F. L., Tawfick, S. H., Baughman, R. H., Hart, A. J. Carbon Nanotubes: Present and Future Commercial Applications. Science. 339, 535-539 (2013).
- Lehn, J. M. Perspectives in Chemistry – Steps towards Complex Matter. Angew. Chem. Int. Ed. 52, 2836-2850 (2013).
- Mattia, E., Otto, S. Supramolecular Systems Chemistry. Nat. Nanotechnol. 10, 111-119 (2015).
- Leh, J. M. . Supramolecular Chemistry: Concepts and Perspectives. , (1995).
- Escárcega-Bobadilla, M. V., et al. Nanorings and Rods Interconnected by Self-Assembly Mimicking an Artificial Network of Neurons. Nat. Commun. 4, 2648 (2013).
- Gegenhuber, T., et al. Noncovalent Grafting of Carbon Nanotubes with Triblock Terpolymers: Toward Patchy 1D Hybrids. Macromolecules. 48, 1767-1776 (2015).
- Peng, H., Alemany, L. B., Margrave, J. L., Khabashesku, V. N. Sidewall Carboxylic Acid Functionalization of Single-Walled Carbon Nanotubes. J. Am. Chem. Soc. 125, 15174-15182 (2003).
- Furtado, C. A., Kim, U. J., Gutierrez, H. R., Pan, L., Dickey, E. C., Ecklund, P. C. Debundling and Dissolution of Single-Walled Carbon Nanotubes in Amide Solvents. J. Am. Chem. Soc. 126, 6095-6105 (2004).
- Jeon, J. H., Lim, J. H., Kim, K. M. Fabrication of Hybrid Nanocomposites with Polystyrene and Multiwalled Carbon Nanotubes with Well-Defined Polystyrene via Multiple Atom Transfer Radical Polymerization. Polymer. 50, 4488-4495 (2009).
- Kim, M., Hong, C. K., Choe, S., Shim, S. E. Synthesis of Polystyrene Brush on Multiwalled Carbon Nanotubes Treated with KMnO4 in the Presence of a Phase-Transfer Catalyst. J. Polym. Sci. Pol. Chem. 45, 4413-4420 (2007).
- Oliveira, E. Y. S., Bode, R., Escárcega-Bobadilla, M. V., Zelada-Guillén, G. A., Maier, G. Polymer Nanocomposites from Self-Assembled Polystyrene-Grafted Carbon Nanotubes. New J. Chem. 40, 4625-4634 (2016).
- Shriver, D. F., Drezdzon, M. A. . The Manipulation of Air-Sensitive Compounds. , (1986).
- Bressy, C., Ngo, V. G., Ziarelli, F., Margaillan, A. New Insights into the Adsorption of 3-(Trimethoxysilyl)-propylmethacrylate on Hydroxylated ZnO Nanopowders. Langmuir. 28, 3290-3297 (2012).
- Wu, X., Qiu, J., Liu, P., Sakai, E., Lei, L. Polystyrene Grafted Carbon Black Synthesis via in situ Solution Radical Polymerization in Ionic Liquid. J. Polym. Res. 20, 167 (2013).
