ポリスチレン自己組織を有効にして異方的不均一性と多層カーボンナノ チューブを移植
Summary
プロシージャ連続化学修飾を用いたポリスチレンをグラフトした多層カーボンナノ チューブの合成手順選択的に側壁にポリマー鎖を導入、自己集合による異方的不均一性が発表しました。
Abstract
カーボンナノ チューブの表面特性の変調を有効にする自由根本的な重合戦略により側壁にポリスチレン (PS) 鎖を持つ原始的な多層カーボンナノ チューブ (Mwcnt) を移植する簡単なプロトコルを示すとナノ構造の自己組織化超分子を生成します。まず、相性触媒による酸化反応を通じて原始的なカーボンナノ チューブの選択的水酸化反応は、側壁に反応性表面的に分散したサイトを作成します。後者の反応サイトその後、重合性のサイトを作成するシリル化したメタクリル前駆体を用いたメタクリル基で変更されます。これらの重合性グループは、ナノチューブの側壁に移植された PS 鎖を含むハイブリッドナノ材料を生産するスチレンのさらに重合をアドレス指定できます。高分子グラフト コンテンツ、シリル化したメタクリル基導入の量およびナノチューブの水酸化変更を識別して熱重量分析 (TGA) によってを定量化します。フーリエ変換の赤外分光法 (FT-IR) による反応性の官能基の水酸基とシリルのメタクリル酸の存在が確認されました。テトラヒドロ フラン (THF) のポリスチレン グラフト カーボン ナノチューブ ソリューションは、一面線上自己組織化ナノチューブのキャストとサンプルを透過電子顕微鏡 (TEM) による分析を提供します。適したブランクが非移植対応を含む類似のソリューションと同様にキャストされるときは、それらの自己アセンブリは得られません。したがって、このメソッドは、側壁に、ナノスケールでの自発的な自動組織に結果カーボンナノ チューブ異方性方法を変更できます。
Introduction
単一壁カーボン ・ ナノチューブ (カーボンナノ チューブ)1,2の発見以来科学コミュニティが最先端の広い範囲で、優れた電気的、機械的および熱的特性の3を適用アプリケーションの共有結合を介して表面特性4と非共有結合5戦略を調節することによって。これらのアプリケーションの例としてには太陽電池で6,7電極センサーのトランスデューサーとしての使用が含まれて、8異種触媒、合成、10防汚で9 nanoreactors のサポート保護フィルム、複合材料中の11フィラー剤12など。しかし、表面物性より堅牢なまだ産業的利用可能な多層対応すなわち、Mwcnt ナノスケールでの非共有結合性相互作用の方向性を制御するために調節することが難しいが残ったタスクはこれまでのところ。13
ナノスケールでの物質の組織を制御する最も汎用的な戦略の 1 つは分子のビルディング ブロックの自己組織化超分子です。14,15この意味で超分子相互作用を伴う方向、短距離とミッドレンジ非共有結合性相互作用など水素結合、ファン ・ デル ・ ワールス、双極子-双極子、イオン-双極子、双極子-誘起双極子、π-π スタッキング、カチオン-π、アニオン-π、クーロン、他の中。16残念ながら、Mwcnt などのより大きい構造の自己組織化の方向に自発的ではありません、通常外部動機力 (例えばテンプレートまたはエネルギー消費システム) が必要です。17最近後者の目標18共有結合戦略の使用の新たな選択肢を提供してその問題を解決するために追求するため共重合体仕立てとカーボンナノ チューブの使用レポート非共有結合ラッピングをやっとのことで探検に残っています。
単層カーボンナノ チューブの化学修飾は、テルミニ駅または同じの側壁に異なる官能基を導入する選択的に実行できます。19,20炭素ナノ構造の表面の特性に合わせて最も有用なアプローチの 1 つは標準的な重合ルートを通じて高分子グラフトです。通常、これらのアプローチは、重合性の予備的な前置きやナノ構造の表面と適切なモノマーと逐次重合のイニシエーター グループ(アクリル、ビニールなど)。21 Mwcnt の場合異方性方法で彼らの方法を制御する側壁上の高分子鎖の共有結合の導入は挑戦を続けています。
彼らの表面の不均一性を変更するために、彼らの異方性を促進するため、Mwcnt の側壁を PS チェーンを挿入する簡単な化学修飾手順22,23のシリーズを適用する方法をここで紹介しますナノスケールで23を自己組織します。変更ルート中に最初のステップにより側壁に原始的な Mwcnt の選択的水酸化反応次、相性は触媒酸化反応すなわち、水酸化体の相手を屈する MWCNT オハイオを媒介します。2 番目の手順を使用して、3-(構築) プロピル メタクリル酸 (TMSPMA) 以前に作成されたヒドロキシル グループ (MWCNT-O-TMSPMA) にシリル メタクリル基を導入します。これらのインサートは、表面反応サイト中、第 3 ステップ、(すなわちMWCNT O PS) の終わりにナノチューブの側壁にグラフト高分子鎖をこうして降伏メタクリル基からスチレンモノマーを重合するときを提供します。
Protocol
Representative Results
Discussion
この方法で成功した接木プロセスを保証する重要な結果いくつかの手順があります。まず、相性触媒による酸化反応 (ステップ 1.1) を最近分散したカーボンナノ チューブ (ステップ 1.1.1.5) で実施。分散プロトコルの推奨事項に従って実行不可能な場合は、超音波チップ超音波発生装置の使用は同じ徴候 (ステップ 1.1.1.6) を使用している場合に参考になります。短い Mwcnt を用いた分散問題の解…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
メキシコ国立自治大学 (許可番号 5000-9158、5000-9156、IA205616 と IA205316) から FQ PAIP と DGAPA PAPIIT のプログラムを確認したいと思います、メキシコから理工国家評議会-CONACYT-(番号の付与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 |
Referenzen
- 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).
