Multiwalled koolstof Nanotubes met polystyreen om zelf-assemblage en anisotrope vlekkerigheid enten
Summary
Een procedure voor de synthese van polystyreen-geënt multiwalled koolstof nanotubes met behulp van opeenvolgende chemische wijziging stappen om selectief kennismaken met de polymeerketens de zijwanden en hun zelf-assemblage via anisotrope vlekkerigheid is gepresenteerd.
Abstract
We tonen een eenvoudig protocol om te enten ongerepte multiwalled koolstof nanobuisjes (MWCNTs) met polystyreen (PS) ketens op de zijwanden door middel van een vrije radicalen polymerisatie-strategie om de modulatie van de nanobuis oppervlakte-eigenschappen en Supramoleculaire zelf-assemblage van de nanostructuren produceren. Eerst maakt een selectieve hydroxylering van de ongerepte nanobuisjes door een tweefase catalytically gemedieerde oxidatie reactie oppervlakkig gedistribueerde reactieve sites op de zijwanden. De laatste reactieve sites zijn vervolgens gewijzigd met methacrylzuur wordt met behulp van een voorloper van de methacrylzuur gesilyleerd polymerizable sites te maken. Deze polymerizable groepen kunnen verdere polymerisatie van styreen tot een hybride nanomateriaal met PS ketens geënt op de zijwanden nanobuis adresseren. De polymeer-prothese inhoud, de hoeveelheid gesilyleerd methacrylzuur wordt ingevoerd en de hydroxylatie wijziging van de nanobuisjes zijn geïdentificeerd en gekwantificeerd door Thermogravimetrische analyse (TGA). De aanwezigheid van reactieve functionele groepen hydroxyl en gesilyleerd methacrylaat worden bevestigd door Fourier Transform infraroodspectroscopie (FT-IR). Polystyreen-geënt koolstof nanobuis oplossingen in tetrahydrofuraan (THF) bieden wall-to-wall collinearly zelf geassembleerde nanotubes wanneer gegoten monsters worden geanalyseerd door transmissie-elektronenmicroscopie (TEM). Deze zelf-vergaderingen worden niet verkregen wanneer geschikt blanks zijn ook uitgebracht van analoog oplossingen met niet-geënt tegenhangers. Daarom is deze methode kan de wijziging van de nanobuis anisotrope informatiebrochures op de zijwanden, die tot spontane auto-organisatie op nanoschaal leidt.
Introduction
Sinds de ontdekking van enkelwandige koolstof nanobuisjes (SWCNTs),1,2 de wetenschappelijke gemeenschappen hun uitstekende elektrische, mechanische en thermische eigenschappen3 in een brede waaier van geavanceerde hebt toegepast toepassingen door modulerende hun oppervlakte-eigenschappen via covalente4 en de niet-covalente5 strategieën. Voorbeelden van deze toepassingen zijn hun gebruik als omvormers in sensoren,6,7 elektroden in zonnecellen, ondersteunt8 heterogene katalyse,9 nanoreactors in synthese,10 anti-fouling agenten in beschermende films,11 vulstoffen in samengestelde materialen,12enz. Echter is de mogelijkheid om te differentiëren van de oppervlakte-eigenschappen van hun meer robuuste, maar toch industrieel beschikbaar multiwalled tegenhangers namelijk, MWCNTs, waarmee de directionaliteit in hun niet-covalente interacties op nanoschaal, een moeilijk gebleven taak tot nu toe. 13
Supramoleculaire zelf-assemblage van moleculaire bouwstenen is een van de meest veelzijdige strategieën om te controleren de organisatie van materie op nanoschaal. 14 , 15 daarom, supramoleculaire interacties betrekken directionele, korte afstand en mid-range niet-covalente interacties zoals H-bond, Van der Waals, dipool-dipool, ion-dipool, geïnduceerde dipool dipool, π-π stapelen, kation-π, anion-π, coulombic, onder anderen. 16 helaas directionaliteit in zelf-assemblage voor grotere structuren zoals MWCNTs is niet spontane en meestal externe motief troepen (bijvoorbeeld sjablonen of dissipatie energiesystemen) nodig. 17 een recente verslag gebruikt niet-covalente inwikkeling van nanotubes met op maat gemaakte co polymeren voort te zetten van de laatste doel,18 maar het gebruik van covalente strategieën om nieuwe alternatieven bieden om op te lossen dat probleem gebleven nauwelijks onderzocht.
Chemische modificatie van koolstof nanobuisjes kan selectief worden uitgevoerd om verschillende functionele groepen naar het termini of naar de zijwanden van hetzelfde. 19 , 20 is een van de nuttigste benaderingen op maat van de oppervlakte-eigenschappen in koolstof nanostructuren polymeer-enten via standaard polymerisatie routes. Deze benaderingen zijn gewoonlijk de voorlopige invoering van polymerizable of initiatiefnemer groepen (acryl, vinyl, enz.) op het oppervlak van de nanostructuur en hun opeenvolgende polymerisatie met een geschikt monomeer. 21 in het geval van MWCNTs, de covalente invoering van polymeerketens op de zijwanden waarmee hun vlekkerigheid in een anisotrope mode is gebleven een uitdaging.
Hier zullen we laten zien hoe een reeks eenvoudige chemische wijziging stappen22,23 kan worden toegepast om in te voegen PS kettingen op de zijwanden van MWCNTs om te passen hun oppervlakte informatiebrochures en ter bevordering van hun anisotrope zelf-assemblage23 op nanoschaal. Tijdens de route van de wijziging, een eerste stap, zorgt voor de selectieve hydroxylatie van ongerepte MWCNTs op de zijwanden door dat een tweefase catalytically gemedieerde oxidatie reactie om de opbrengst van de gehydroxyleerde tegenhangers namelijk MWCNT-OH. Een tweede stap maakt gebruik van 3-(trimethoxysilyl) propyl methacrylaat (TMSPMA) om gesilyleerd methacrylzuur wordt aan de eerder gemaakte hydroxylgroepen (MWCNT-O-TMSPMA). Deze inserts zal bieden oppervlak reactieve sites tijdens een derde stap, wanneer styreenmonomeer is polymeervorm van de methacrylzuur wordt dus opbrengst polymeerketens geënt op de zijwanden van de nanobuisjes aan het einde (dat wil zeggen MWCNT-O-PS).
Protocol
Representative Results
Discussion
Bij deze methode zijn er enkele stappen die leiden tot cruciaal voor garanderen een succesvolle praktijk proces. Ten eerste, de tweefase catalytically gemedieerde oxidatie reactie (stap 1.1) moet worden uitgevoerd met onlangs verspreide koolstof nanobuisjes (stap 1.1.1.5). Als dispersie niet haalbaar volgens de aanbevelingen in het protocol resultaten, is het gebruik van een ultrasone tip ultrasoonapparaat zou nuttig zijn als met behulp van de dezelfde vermeldingen (stap 1.1.1.6). Met behulp van kortere MWCNTs kan ook he…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij zouden willen erkennen de FQ-PAIP en DGAPA-PAPIIT programma’s van de Nationale Autonome Universiteit van Mexico (subsidie nummers 5000-9158, 5000-9156, IA205616 en IA205316) en de nationale Raad voor wetenschap en technologie uit Mexico – CONACYT-(verlenen van nummer 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).
