Injerto de nanotubos de carbono pirólisis con poliestireno para permitir uno mismo-Asamblea y pliegues anisotrópico
Summary
Un procedimiento para la síntesis de nanotubos de carbono de la pirólisis de poliestireno injertado mediante modificación química sucesivos pasos a selectivamente introducir las cadenas del polímero en las paredes laterales y su uno mismo-montaje mediante pliegues anisotrópico es presentado.
Abstract
Demostramos un protocolo sencillo para injerto de nanotubos de carbono pirólisis prístina (ello) con cadenas de poliestireno (PS) en las paredes laterales a través de una estrategia de polimerización de radicales libres para permitir la modulación de las propiedades superficiales de nanotubos y producir uno mismo-montaje de las nanoestructuras supramoleculares. En primer lugar, una hidroxilación selectiva de los nanotubos prístinas a través de una reacción de oxidación bifásico catalítico mediada crea sitios reactivos superficialmente distribuidos en las paredes laterales. Los últimos sitios reactivos se modifican posteriormente con grupos metacrilato utilizando sililada metacrílico precursor para crear sitios polimerizables. Esos grupos polimerizables pueden abordar otra polimerización de estireno para producir un nanomaterial híbrido que contiene cadenas PS injertadas a los flancos de nanotubos. El contenido de polímero-injerto, cantidad de sililada metacrílico moieties introducido y modificación de la hidroxilación de los nanotubos son identificados y cuantificados por análisis termogravimétrico (TGA). Se confirma la presencia de grupos funcionales reactivos del oxhidrilo y sililada metacrilato por Fourier transforman espectroscopía infrarroja (FT-IR). Soluciones de nanotubos de carbono de poliestireno injertado en tetrahidrofurano (THF) proporcionan pared nanotubos collinearly uno mismo-montado cuando las muestras son analizadas por microscopia electrónica de transmisión (TEM). Ésos uno mismo-asambleas no se obtienen cuando espacios adecuados son asimismo de soluciones análogas con contrapartes no injertado. Por lo tanto, este método permite la modificación de los pliegues anisotrópico de nanotubos en las paredes laterales que se traduce en auto-organización espontánea en la nanoescala.
Introduction
Desde el descubrimiento de los nanotubos de carbono de pared única (SWCNTs),1,2 las comunidades científicas han aplicado sus excelentes propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas3 en una amplia gama de vanguardia aplicaciones por sus propiedades de superficie vía covalente4 y no covalentes5 estrategias de modulación. Ejemplos de estas aplicaciones incluyen su uso como transductores sensores,6,7 electrodos en celdas solares,8 heterogéneos admite en catálisis, nanoreactors9 en síntesis,10 antiincrustantes agentes de películas protectoras,11 rellenos en materiales compuestos,12etcetera. Sin embargo, la posibilidad de modular las propiedades superficiales de los más robustos, pero industrialmente disponible pirólisis contrapartes, a saber, ello, para el control de la direccionalidad en sus interacciones no covalentes en la nanoescala, ha mantenido una difícil tarea hasta ahora. 13
Supramolecular uno mismo-Asamblea moleculares de bloques de construcción es una de las estrategias más versátiles para el control de la organización de la materia a escala nanométrica. 14 , 15 en este sentido, las interacciones supramoleculares implican direccional, de corto alcance y gama media interacciones no covalentes tales como H-enlaza, Van der Waals, dipolo-dipolo, ion-dipolo, dipolo dipolo inducido, apilamiento π-π, catión-π, anión-π, coulombic, entre otros. 16 Desafortunadamente, direccionalidad en uno mismo-montaje de estructuras más grandes como ello no es espontáneo y requiere generalmente las fuerzas motivo externo (por ejemplo, plantillas o sistemas de disipación de energía). 17 un envoltorio no covalentes de reciente informe utilizado de nanotubos con copolímeros a medida para perseguir el objetivo último,18 pero el uso de estrategias covalentes para ofrecer nuevas alternativas para resolver el problema han permanecido apenas explorado.
Modificación química de nanotubos de carbono puede realizarse selectivamente para introducir diferentes grupos funcionales a la termini o a las paredes laterales de la misma. 19 , 20 uno de los métodos más útiles para adaptar las propiedades superficiales en nanoestructuras de carbono es el polímero de injerto a través de rutas de polimerización standard. Por lo general, los métodos implican la introducción preliminar de polimerizables o grupos de iniciador (acrílico, vinilo, etcetera) en la superficie de nanoestructura y su polimerización sucesiva con un monómero adecuado. 21 en el caso de ello, la introducción covalente de las cadenas de polímero en las paredes laterales para el control de sus pliegues de forma anisotrópica sigue siendo un desafío.
Aquí mostramos cómo se puede aplicar una serie de pasos de fácil modificación química22,23 para insertar cadenas de PS en las paredes laterales de ello con el fin de modificar sus pliegues superficiales y para promover su anisotrópico uno mismo-Asamblea23 a escala nanométrica. Durante el recorrido de la modificación, un primer paso permite la hidroxilación selectiva de ello inmaculado en las paredes laterales siguiendo un bifásico catalítico mediada por reacción de oxidación para producir, a saber, las contrapartes hidroxiladas MWCNT-OH. Un segundo paso utiliza 3-(trimetoxisilil) metacrilato de propilo (TMSPMA) para introducir moléculas de metacrilato sililada a los grupos del oxhidrilo creado anteriormente (MWCNT-O-TMSPMA). Estas piezas se ofrecen sitios reactivos superficiales durante un tercer paso, cuando se polimeriza el monómero de estireno de las moléculas de metacrilato así que las cadenas de polímero injertadas a las paredes laterales de los nanotubos en el final (es decir MWCNT-O-PS).
Protocol
Representative Results
Discussion
En este método, hay algunos pasos que resultan fundamentales para garantizar un exitoso proceso de injerto. En primer lugar, la reacción de oxidación bifásico catalítico mediada (paso 1.1) debe llevarse a cabo con nanotubos de carbono recientemente dispersos (paso 1.1.1.5). Si la dispersión resulta inviable según las recomendaciones contenidas en el protocolo, el uso de un sonicador ultrasónico punta sería útil si usa las mismas indicaciones (paso 1.1.1.6). Utilización de ello más corto también puede ayudar …
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nos gustaría reconocer los programas de FQ-PAIP y DGAPA-PAPIIT de la Universidad Nacional Autónoma de México (números de concesión 9158 5000, 5000-9156, IA205616 y IA205316) y el Consejo Nacional de ciencia y tecnología de México – CONACYT-(número de concesión 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 |
Referencias
- 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).
