הרכבה Multiwalled פחמן עם פוליסטירן כדי לאפשר הרכבה עצמית, Patchiness אנאיזוטרופי
Summary
הליך עבור הסינתזה של multiwalled הושתל פוליסטירן פחמן באמצעות שינוי כימי רצופים שלבים באופן סלקטיבי להציג רשתות פולימריות בקירות הצדדיים שלהם הרכבה עצמית באמצעות patchiness אנאיזוטרופי הוא הציג.
Abstract
נדגים פרוטוקול פשוטה כדי להשתיל וטהור multiwalled פחמן (MWCNTs) עם שרשראות פוליסטירן (PS)-בקירות הצדדיים באמצעות אסטרטגיה הפילמור חינם-רדיקלי כדי לאפשר את מודולציה של מאפייני השטח nanotube ו לייצר סופרא מולקולרית הרכבה עצמית של nanostructures. ראשית, hydroxylation סלקטיבית של הנאנו וטהור דרך תגובת חמצון biphasic catalytically מתווכת יוצר באתרים מבוזרים שטחי תגובתי ב בקירות הצדדיים. האתרים תגובתי האחרונה הם שונה לאחר מכן עם methacrylic moieties באמצעות הקדמה methacrylic silylated כדי ליצור אתרים polymerizable. קבוצות polymerizable אלה אפשר כתובת נוספת פלמור של styrene לייצר nanomaterial היברידית המכילים שרשראות PS הושתל בקירות הצדדיים nanotube. תוכן פולימר-שתל, כמות silylated methacrylic moieties הציג, שינוי hydroxylation של הנאנו מזוהה, לכמת על ידי ניתוח Thermogravimetric (TGA). הנוכחות של קבוצות פונקציונליות תגובתי הידרוקסיל, silylated methacrylate מאושרות על-ידי פורייה להפוך ספקטרוסקופית אינפרא אדום (FT-IR). פתרונות ננו-צינורית פחמן הושתל פוליסטירן tetrahydrofuran (THF) לספק דגימות מקיר לקיר צינוריות collinearly עצמית שהורכבו בעת הטלת מנותחים על-ידי במיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (TEM). העצמי-הרכבות האלה לא מתקבלים כאשר מתאים ריקים באופן דומה מושלך מפתרונות מקביל המכיל עמיתיהם שאינם הושתל. לכן, שיטה זו מאפשרת השינוי של nanotube אניסוטרופי patchiness-בקירות הצדדיים אשר תוצאות לתוך אוטומטי-הארגון ספונטנית ננו.
Introduction
מאז גילוי צינורות פחמן עם קירות יחיד (SWCNTs),1,2 הקהילות המדעיות החילו שלהם מצטיינים מאפיינים חשמלי, מכני, תרמי3 במגוון רחב של חדשנית יישומים על-ידי להתכוונן שלהם שטח הפנים באמצעות קוולנטיות4 וקשרי ערכיות5 אסטרטגיות. דוגמאות של יישומים אלה כוללים את השימוש בהם בתור מתמרים סנסורים,6,אלקטרודות7 בתאים סולאריים,8 הטרוגנית תומך ב זרז,9 nanoreactors, סינתזה,10 עכירות-נגד סוכנים בסרטים מגן,11 מילוי בחומרים מרוכבים,12ועוד. עם זאת, האפשרות לווסת את מאפייני משטח של שלהם חזקים יותר, עדיין multiwalled תעשייתי זמין עמיתיהם. כלומר, MWCNTs, כדי לשלוט. הכיוון באינטראקציות הלא-קוולנטיות שלהם-הננומטרי, נשאר קשה פעילות עד כה. 13
סופרא מולקולרית הרכבה עצמית של אבני בניין מולקולרי הוא אחד המגוונים ביותר אסטרטגיות כדי לשלוט הארגון חומר ב הננומטרי. 14 , 15 במובן זה, אינטראקציות סופרא מולקולרית לערב כיוונית, לטווח קצר אמצע טווח שאינם קוולנטיות אינטראקציות כגון H-בונד, ואן דר Waals, דיפול-דיפול, יון-דיפול דיפול דיפול-induced, π-π בערימה, הקטיון-π, אניון-π, coulombic, בין היתר. 16 . למרבה הצער, הכיווניות של הרכבה עצמית של מבנים גדולים יותר כגון MWCNTs ספונטנית, בדרך כלל דורש כוחות מניע חיצוני (למשל תבניות או מערכות פיזור אנרגיה). 17 האחרונה דוח שימוש שאינו קוולנטיות אריזה של צינוריות עם פולימרים שיתוף מותאמים אישית כדי לרדוף אחרי המטרה השנייה,18 אך השימוש באסטרטגיות קוולנטיות להציע חלופות חדשות כדי לפתור את הבעיה הזו נותרו בקושי בחנו.
שינוי כימי של פחמן יכול באופן סלקטיבי להתבצע כדי להציג את קבוצות פונקציונליות שונות טרמיני (termini) או בקירות הצדדיים של אותו. 19 , 20 אחת הגישות שימושי ביותר כדי להתאים את מאפייני השטח ב nanostructures פחמן הוא פולימר-הרכבה דרך מסלולים הפילמור סטנדרטי. בדרך כלל, גישות אלה לערב המבוא הראשוני של polymerizable או קבוצות יוזם (אקריליק, ויניל, וכו ‘.) על פני השטח ננו-מבנה, שלהם הפילמור רצופים עם מונומר מתאימים. 21 במקרה של MWCNTs, המבוא קוולנטיות של שרשרת הפולימר על בקירות הצדדיים כדי לשלוט patchiness שלהם בצורה אניסוטרופי נותר אתגר.
כאן אנו יראה איך יכול להיות מיושם סדרה של שינוי כימי פשוט שלבים22,23 להוספת PS שרשרת על בקירות הצדדיים של MWCNTs כדי לשנות את patchiness פני השטח שלהם וכדי לקדם את שלהם אנאיזוטרופי הרכבה עצמית23 ב הננומטרי. במהלך המסלול השינוי, צעד ראשון מאפשרת hydroxylation סלקטיבית של MWCNTs וטהור-בקירות הצדדיים על ידי ביצוע ש-biphasic catalytically מתווכת תגובת חמצון להניב את עמיתיהם hydroxylated כלומר, MWCNT-הו. שלב שני שימושים 3-(trimethoxysilyl) propyl methacrylate (TMSPMA) להכיר silylated methacrylic moieties קבוצות הידרוקסיל שנוצרה בעבר (MWCNT-O-TMSPMA). מוסיף אלה תספק משטח תגובתי אתרים במהלך צעד שלישי, כאשר styrene מונומר הוא polymerized מן moieties methacrylic ובכך מניב שרשרות הפולימר הושתל בקירות הצדדיים של הנאנו בסוף (דהיינו MWCNT-O-PS).
Protocol
Representative Results
Discussion
בשיטה זו, ישנם כמה צעדים והתוצאה קריטיים להבטחת תהליך grafting מוצלח. ראשית, תגובת חמצון biphasic catalytically מתווכת (שלב 1.1) צריכה להתבצע עם לאחרונה מפוזר-פחמן (שלב 1.1.1.5). אם פיזור תוצאות נבאדה על-פי ההמלצות בפרוטוקול, השימוש sonicator עצה קולי יהיה מועיל אם משתמש באותו האינדיקציות (שלב 1.1.1.6). שימוש MWCNTs קצר עש?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ברצוננו להודות בזה-אביזרי ותוכניות DGAPA-PAPIIT מאוטונומי האוניברסיטה הלאומית של מקסיקו (גרנט מספרים 5000 9158, 5000-9156, IA205616 ו- IA205316) והמועצה הלאומית למדע וטכנולוגיה ממקסיקו – CONACYT-(להעניק מספר 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 |
Referências
- 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).
