Summary

Layer-by-layer synthese en de overdracht van Vrijstaande geconjugeerde Microporous Polymer Nanomembranes

Published: December 15, 2015
doi:

Summary

In this paper we describe the interfacial synthesis of conjugated microporous polymers (CMP) on sacrificial substrates, and the dissolution of the substrate for the preparation of freestanding CMP nanomembranes. In addition, we will describe how the fragile nanomembranes can be transferred to other substrates.

Abstract

CMP zo groot oppervlak materialen aangetrokken groeiende belangstelling voor kort vanwege hun hoge variabiliteit in de inbouw van functionele groepen in combinatie met hun uitstekende thermische en chemische stabiliteit en lage dichtheden. Echter, hun onoplosbaarheid veroorzaakt problemen bij de verwerking omdat gewoonlijk gebruikte technieken zoals spin coaten niet beschikbaar. Speciaal voor membraan toepassingen, waarbij de verwerking van CMP als dunne films wenselijk is, hebben de verwerking problemen hun commerciële toepassing gehinderd.

Hier beschrijven we het grensvlak synthese van CMP dunne films op gefunctionaliseerde substraten via moleculaire laag-voor-laag (LBL) synthese. Deze werkwijze maakt de bereiding van folies met de gewenste dikte en samenstelling en zelfs gewenste samenstelling gradiënten.

Het gebruik opofferingskolommen dragers maakt de bereiding van vrijstaande membranen door oplossen van de drager nade synthese. Om dergelijke ultradunne vrijstaande membranen omgaan met de bescherming met opofferende coatings toonden grote belofte, om breuk van de nanomembranes voorkomen. Om de nanomembranes overbrengen naar de gewenste substraat, worden de gecoate membranen upfloated in de lucht-vloeistof-interface en vervolgens overgebracht via dip coating.

Introduction

The preparation of ultra-thin polymer membranes is of high interest for applications in gas separation and nanofiltration. Challenges in the synthesis are represented by (a) the control of the membrane thickness and the homogeneity and (b) transfer of such fragile membranes. To overcome challenge (a), molecular layer-by-layer synthesis1 has shown great promise in controlling the thickness and homogeneity of thin films grown at the solid-liquid interface.2,3 Controlling the number of layers linearly controls the film thickness. The l-b-l method has been successfully used to fabricate surface mounted metal organic frameworks (SURMOFs),4-7 also the synthesis of thin polymer films via l-b-l reaction of polymer chains was demonstrated.8 The challenge (b) concerns the handling of these ultra-thin membranes. To avoid rupture or wrinkling of the nanomembranes sacrificial supports of coatings have shown great promise. 9

Here we will present a detailed protocol for synthesis of conjugated microporous polymer (CMP)10-13 thin films through sequential addition of the molecular building blocks, with desired thickness and composition. The preparation of free-standing CMP nanomembranes is achieved by using a sacrificial support. To handle and transfer the CMP nanomembranes to other supports we will describe a simple protocol to protect the membranes with sacrificial coatings and their upfloating to the liquid air interface and subsequent transfer using dip-coating.

Protocol

1. Synthese van CMP Thin Films door de opeenvolgende toevoeging Zelf-geassembleerde monolaag (SAM) functionalisering van goud op mica. Bereid 1 mM oplossing van 11-thioacetyl-undecaan zuur-propargyl amide 14 in ethanol (SAM-oplossing). Meng met behulp van ultrasoon bad tot oplossing helder. Bescherm de fles uit licht met behulp van aluminiumfolie. Verkrijgen goud gecoate mica wafer onder argon. Na het uit de voorraadhouder Dompel het mica wafer direct naar SAM-oplossing 18…

Representative Results

De membranen worden gekenmerkt door reflectie infrarood absorptie spectroscopie (IRRAS). 16 Figuur 4 toont IRRA-spectra van een CMP-membraan overgebracht naar een goud wafer. Typisch banden van de trillingen van de aromatische ruggengraat bij 1605 cm -1, 1515 cm -1 en 1412 cm -1. Niet gereageerd alkyn en azide groepen kunnen worden waargenomen door karakteristieke banden bij 2125 cm -1 en 1227 cm -1. Figuur 5 toont een af…

Discussion

Voor de synthese van CMP-film de oplossing van de katalysator vers. Een gebroken katalysator (dwz geoxideerd) wordt aangeduid met een blauwe kleur van de oplossing. De verse oplossing is kleurloos.

Cruciaal is om de randen van het mica substraat afgesneden nadat spinbekleding PMMA. Ook defecten in het substraat worden gesneden, dat wil zeggen, elke vlek werden de PMMA kan in contact komen met het mica substraat vanwege een ontbrekende goudlaag. Anders is het goud laag kan n…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The authors have no acknowledgements.

Materials

Acetone VWR BDH Prolabo 20066.330 AnalR NORMAPUR
Potassium iodide VWR BDH Prolabo 26846.292 AnalR NORMAPUR
Ethyl acetate VWR BDH Prolabo 23882.321 AnalR NORMAPUR
Tetrahydrofurane (THF) VWR BDH Prolabo 28559.320 HiPerSolv CHROMANORM
THF waterfree Merck Millipore 1.08107.1001 SeccoSolv
Iodine Sigma-Aldrich 20,777-2
Tetrakis(acetonitrile)copper(I)hexafluoro-phosphate Sigma-Aldrich 346276-5G
Poly(methyl methacrylate) 996 kDa (PMMA) Sigma-Aldrich 182265-25G
1.1.1.1 Methanetetrayltetrakis(4-azidobenzene) (TPM-azide) provided by AK Prof. Bräse. Institute of organic chemistry, Karlsruhe Institute of Technology. Synthesized according to9
1.1.1.1 Methanetetrayltetrakis(4-ethinylenebenzene) (TPM-alkyne) provided by AK Prof. Bräse. Institute of organic chemistry, Karlsruhe Institute of Technology. Synthesized according to9
11-thioacetyl-undecaneacid propargylamide provided by AK Prof. Bräse. Institute of organic chemistry, Karlsruhe Institute of Technology. Synthesized according to8
gold/titan coated silicium-wafer Georg Albert PVD, 76857 Silz, Germany
gold coated mica Georg Albert PVD, 76857 Silz, Germany

Referências

  1. Lindemann, P., et al. Preparation of Freestanding Conjugated Microporous Polymer Nanomembranes for Gas Separation. Chemistry of Materials. 26 (24), 7193-71 (2014).
  2. Kim, M., et al. Preparation of Ultrathin Films of Molecular Networks through Layer-by-Layer Cross-Linking Polymerization of Tetrafunctional Monomers. Macromolecules. 44 (18), 7092-7095 (2011).
  3. Vonhören, B., et al. Ultrafast Layer-by-Layer Assembly of Thin Organic Films Based on Triazolinedione Click Chemistry. ACS Macro Letters. 4 (3), 331-334 (2015).
  4. Shekhah, O., et al. Step-by-Step Route for the Synthesis of Metal−Organic Frameworks. Journal of the American Chemical Society. 129 (49), 15118-15119 (2007).
  5. Shekhah, O., Wang, H., Zacher, D., Fischer, R. A., Wöll, C. Growth Mechanism of Metal–Organic Frameworks: Insights into the Nucleation by Employing a Step-by-Step Route. Angewandte Chemie International Edition. 48 (27), 5038-5041 (2009).
  6. Shekhah, O., Liu, J., Fischer, R. A., Wöll, C. MOF thin films: existing and future applications. Chemical Society Reviews. 40 (2), 1081-1106 (2011).
  7. Liu, J., et al. Deposition of Metal-Organic Frameworks by Liquid-Phase Epitaxy: The Influence of Substrate Functional Group Density on Film Orientation. Materials. 5 (9), 1581-1592 (2012).
  8. Such, G. K., Quinn, J. F., Quinn, A., Tjipto, E., Caruso, F. Assembly of Ultrathin Polymer Multilayer Films by Click Chemistry. Journal of the American Chemical Society. 128 (29), 9318-9319 (2006).
  9. Ai, M., et al. Carbon Nanomembranes (CNMs) Supported by Polymer: Mechanics and Gas Permeation. Advanced Materials. 26 (21), 3421-3426 (2014).
  10. Jiang, J. -. X., Cooper, A. I. in Functional Metal-Organic Frameworks: Gas Storage, Separation and Catalysis. Topics in Current Chemistry. (ed Martin Schröder) Ch. 293, 1-33 (2010).
  11. Dawson, R., Cooper, A. I., Adams, D. J. Nanoporous organic polymer networks. Progress in Polymer Science. 37 (4), 530-563 (2012).
  12. Muller, T., Bräse, S. Click Chemistry Finds Its Way into Covalent Porous Organic Materials. Angewandte Chemie International Edition. 50 (50), 11844-11845 (2011).
  13. Tsotsalas, M., Addicoat, M. A. Covalently linked organic networks. Frontiers in Materials. 2, (2015).
  14. Kleinert, M., Winkler, T., Terfort, A., Lindhorst, T. K. A modular approach for the construction and modification of glyco-SAMs utilizing 1,3-dipolar cycloaddition. Organic & Biomolecular Chemistry. 6 (12), 2118-2132 (2008).
  15. Plietzsch, O., et al. Four-fold click reactions: Generation of tetrahedral methane- and adamantane-based building blocks for higher-order molecular assemblies. Organic & Biomolecular Chemistry. 7, (2009).
  16. Greenler, R. G. Infrared Study of Adsorbed Molecules on Metal Surfaces by Reflection Techniques. The Journal of Chemical Physics. 44 (1), (1966).

Play Video

Citar este artigo
Lindemann, P., Träutlein, Y., Wöll, C., Tsotsalas, M. Layer-by-layer Synthesis and Transfer of Freestanding Conjugated Microporous Polymer Nanomembranes. J. Vis. Exp. (106), e53324, doi:10.3791/53324 (2015).

View Video