JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
עברית

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chemistry

ניקל ננו gyroid מSupramolecules קופולימר Diblock

Published: April 28, 2014
doi:
10.3791/50673
, , , , , ,
1Department of Polymer Chemistry, Zernike Institute for Advanced Materials,University of Groningen, 2Materials Science, Zernike Institute for Advanced Materials,University of Groningen, 3ICTM – Center for Catalysis and Chemical Engineering

Summary

מאמר זה מתאר את ההכנה של nanofoams ניקל המסודרת באמצעות תצהיר electroless מתכת על גבי תבניות nanoporous מתקבלות מsupramolecules מבוסס קופולימר diblock העצמית התאספו.

Abstract

קצף מתכת nanoporous יש שילוב ייחודי של תכונות – הם פעילים catalytically, תרמית ומוליך חשמל, ויתר על כן, יש לי נקבוביות גבוהה, יחס שטח נפח וכוח למשקל גבוה. למרבה הצער, גישות נפוצות להכנה של ננו מתכתי לעבד חומרים עם ארכיטקטורה מסודרות מאוד, אשר עשוי להיות להם השפעה שלילית על התכונות מכאניות שלהם. יש לי קופולימרים לחסום את היכולת עצמית להרכיב לתוך ננו הורה ויכולים להיות מיושמים כתבניות להכנת nanofoams מתכת מסודרת. כאן אנו מתארים את היישום של קומפלקס מולקולריים מבוסס קופולימר לחסום – קלקר בלוק-פולי (4 vinylpyridine-) (pentadecylphenol) PS-B-P4VP (PDP) – כמבשר לnanofoam ניקל מסודר. מתחמים מולקולריים תערוכת שלב התנהגות דומה לקופולימרים לחסום קונבנציונליים ויכולים עצמי להרכיב לתוך שנינות מורפולוגיה gyroid bicontinuousשתי רשתות PS שעות להציב במטריצת P4VP (PDP). יכול להיות מומס PDP באתנול מוביל להיווצרות של מבנה נקבובי שניתן backfilled עם מתכת. שימוש בטכניקת ציפוי electroless, ניקל יכול להיות מוכנס לתוך הערוצים של התבנית. לבסוף, הפולימר שנותר ניתן להסיר באמצעות פירוליזה מהפולימר / nanohybrid אורגני וכתוצאה מקצף ניקל nanoporous עם מורפולוגיה gyroid הפוכה.

Introduction

קיימות מספר טכניקות זמינות להכנת nanofoams מתכת: dealloying 1-3, סול גישות 4,5, nanosmelting 6,7, וסינתזת בעירה 8. בתהליך dealloying, החומר המוצא הוא בדרך כלל סגסוגת בינארי, למשל, סגסוגת של כסף וזהב. המתכת האצילה פחות, הכסף במקרה זה, ניתן להסיר או כימי או אלקטרוכימי וכתוצאה מקצף זהב נקבובי מסודר עם רצועות nanosized. בסינתזת בעירה, מתכת היא מעורבת עם מבשר אנרגטי שמשחרר אנרגיה בפירוק שלה ומניע את היווצרות nanofoam מתכת 8. מחקרים על ההתנהגות מכאנית של קצף מתכת עולה כי בארכיטקטורות מופרעות לא יכולים להיות מועברים לחצים בצורה יעילה מננו הרצועה לmacroscale הכוללת 9-11. כך nanofoams מתכת מסודרת צפויות להיות להם תכונות מכאניות מעולים בהשוואה להפרעות אלה.

הרעיון מיוצג כאן הוא להעסיק קופולימרים לחסום עצמי להרכיב לתוך ננו הורה כמו קודמיו לnanofoams מתכת. תלוי בהרכב של קופולימר לחסום, המספר הכולל של יחידות מונומר ומידת הדחייה בין בלוקים כימיים המחוברים, מורפולוגיות שונות מופיעות כגון: כדורית, גלילית, טבלית, gyroid הכפול, שבשבת מחוררת משושים, ואחרים 12-14 . יתר על כן, יכולים להיות מושפלים בלוקים פולימר סלקטיבי מובילים לחומרי nanoporous 15. השיטות הנפוצות ביותר כוללות: ozonolysis 16-18, קרינת UV 19, תחריט יון תגובת 20-22, והתפרקות 23-26. ניתן backfilled מבנים נקבוביים שנוצרו עם חומרים אורגניים שונים. תחמוצות מתכת (לדוגמא: 2 SiO, Tio 2) בדרך כלל הם הציגו באמצעות שיטת סול לאפיקים של התבנית 27-29. אלציפוי ectrochemical וelectroless משמש בדרך כלל להפקיד מתכת לתוך או על גבי תבניות 30-33. לבסוף, הפולימר שנותר ניתן להסיר מהפולימר / nanohybrid אורגני באמצעות פירוליזה 2, פירוק 34,35, השפלה UV 28,29, וכו '

בגישה שלנו, אנחנו מתחילים מקומפלקס מולקולריים של קלקר בלוק-פולי (4 vinylpyridine-) (PS-B-P4VP) קופולימר diblock וpentadecylphenol amphiphilic מולקולות (PDP). קומפלקס זה הוא תוצאה של קשרי המימן בין PDP וטבעות פירידין (איור 1 א). ההרכב של קופולימר לחסום ההתחלה והסכום של PDP הוסיף נבחרו בצורה כזאת, כי עצמי מרכיב המערכת שהתקבלו במורפולוגיה gyroid הכפולה bicontinuous עם רשת PS ומטריצת P4VP (PDP) (איור 1b). מולקולות PDP להיות מומסים באופן סלקטיבי באתנול וקריסת רשתות P4VP על גבי רשת PS (איור 1 ג). בהמשך לכך, בשיטת ציפוי electroless, ניקל מופקד לתוך הנקבוביות של התבנית (איור 1d). לאחר ההסרה של הפולימר שנותר באמצעות פירוליזה, nanofoam ניקל gyroid מסודר מתקבל (איור 1e).

Protocol

1. הכנה ואפיון של PS-B-P4VP (PDP) מכלולים עם זוגי gyroid מורפולוגיה לשקול את קלקר בלוק-פולי (4 vinylpyridine-) (PS-B-P4VP) וpentadecylphenol (PDP, r = M 304.51 g / mol). על מנת לקבל את מורפולוגיה gyroid, בחר בקפידה את כמות PDP צריך להיות (את החלק י?…

Representative Results

המורפולוגיה של קומפלקסים מולקולריים PS-B-P4VP x (PDP) נבדקת על ידי TEM וSAXS 2a הדמויות ו2b להציג דפוסים טיפוסיים gyroid ממכלול מולקולריים נציג:. הכפול גל ודפוסי עגלת גלגלים שידועים כי הם מייצגים תחזיות דרך (211) ו( 111) המטוס של התא היחידה gyroid, בהתאמה. תחומים לחסום PS מופיעי…

Discussion

מתחמים מולקולריים מיושמים בהצלחה כמו קודמיו לnanofoams מתכת מסודרת. בשיטה זו, הוא הצעד החיוני כדי לרכוש את התבנית המתאימה, כלומר תבנית עם מורפולוגיה gyroid. בתרשים השלב של קופולימרים לחסום אזור gyroid הוא קטן מאוד וזה די קשה להתמקד. משמעות הדבר היא שאם קופולימרים לחסום קונ…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

אנו מכירים בתמיכה כספית על ידי מכון Zernike לחומרים מתקדמים, אוניברסיטת חרונינגן.

Materials

REAGENTS:
PS-b-P4VP, CAS: 26222-40-2 Polymer Source Inc. P9009-S4VP
P136-S4VP
P5462-S4VP
P3912-S4VP		 additional information are provided in a separate table
PDP Aldrich P4402-100G-A recrystallized twice from petroleum ether
SnCl2 Acros Organics 196981000
PdCl2 Aldrich 76050
NiSO4 x H2O Sigma-Aldrich 227676
lactic acid Aldrich W261106
citric acid trisodium salt Sigma-Aldrich C3674
borane dimethyl amine complex Aldrich 180238
PS-b-P4VP catalogue number Mn (PS), g/mol Mn(P4VP), g/mol PDI
P9009-S4VP 24000 9500 1.1
P136-S4VP 31900 13200 1.08
P5462-S4VP 37500 16000 1.3
P3912-S4VP 41500 17500 1.07
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Erlebacher, J., Aziz, M. J., Karma, A., Dimitrov, N., Sieradzki, K. Evolution of nanoporosity in dealloying. Nature. 410, 450-453 (2001).
  2. Nyce, G. W., Hayes, J. R., Hamza, A. V., Satcher, J. H. Synthesis and Characterization of Hierarchical Porous Gold Materials. Chem. Mater. 19, 344-346 (2007).
  3. Detsi, E., van de Schootbrugge, M., Punzhin, S., Onck, P. R., De Hosson, J. T. M. On tuning the morphology of nanoporous gold. Scripta Mater. 64, 319-322 (2011).
  4. Gacoin, T., Lahlil, K., Larregaray, P., Boilot, J. P. Transformation of CdS Colloids: Sols, Gels, and Precipitates. J. Phys. Chem. B. 105, 10228-10235 (2001).
  5. Tappan, B. C., Steiner, S. A., Luther, E. P. Nanoporous Metal Foams. Angew. Chem. Int. Ed. 49, 4544-4565 (2010).
  6. Leventis, N., Chandrasekaran, N., Sadekar, A. G., Sotiriou-Leventis, C., Lu, H. One-Pot Synthesis of Interpenetrating Inorganic/Organic. Networks of CuO/Resorcinol-Formaldehyde Aerogels: Nanostructured Energetic Materials. J. Am. Chem. Soc. 131, 4576-4577 (2009).
  7. Leventis, N., Chandrasekaran, N., Sotiriou-Leventis, C., Mumtaz, A. Smelting in the age of nano: iron aerogels. J. Mater. Chem. 19, 63-65 (2009).
  8. Tappan, B. C., et al. Ultralow-Density Nanostructured Metal Foams: Combustion Synthesis, Morphology, and Composition. J. Am. Chem. Soc. 128, 6589-6594 (2006).
  9. Ashby, M. F., et al. Metal Foams: a Design Guide. Butterworth-Heinemann. , (2000).
  10. Tekoglu, C. Size Effects in Cellular Solids. , (2007).
  11. Amsterdam, E. Structural Performance and Failure Analysis of Aluminium Foams. , (2008).
  12. Bates, F. S., Fredrickson, G. H. Block Copolymer Thermodynamics: Theory and Experiment. Annu. Rev. Phys. Chem. 41, 525-527 (1990).
  13. Hamley, I. W. . The Physics of Block Copolymers. , (1998).
  14. Abetz, V., Simon, P. . Advances in Polymer Science. , (2005).
  15. Hillmyer, M. A. Nanoporous Materials from Block Copolymer Precursors. Adv. Polym. Sci. 190, 137-181 (2005).
  16. Mansky, P., Harrison, C. K., Chaikin, P. M., Register, R. A., Yao, N. Nanolithographic templates from diblock copolymer thin films. Appl. Phys. Lett. 68, 2586-2588 (1996).
  17. Hashimoto, T., Tsutsumi, K., Funaki, Y. Nanoprocessing Based on Bicontinuous Microdomains of Block Copolymers: Nanochannels Coated with Metals. Langmuir. 13, 6869-6872 (1997).
  18. Chen, S. -. Y., Huang, Y., Tsiang, R. C. -. C. Ozonolysis efficiency of PS-b-PI block copolymers for forming nanoporous polystyrene. J. Polym. Sci. A Polym. Chem. 46, 1964-1973 (2008).
  19. Thurn-Albrecht, T., et al. Nanoscopic Templates from Oriented Block Copolymer Films. Adv. Mater. 12, 787-791 (2000).
  20. Park, M., Harrison, C., Chaikin, P. M., Register, R. A., Adamson, D. H. Block Copolymer Lithography: Periodic Arrays of ~1011 Holes in 1 Square Centimeter. Science. 276, 1401-1404 (1997).
  21. Cheng, J. Y., Ross, C. A., Thomas, E. L., Smith, H. I., Vancso, G. J. Fabrication of nanostructures with long-range order using block copolymer lithography. Appl. Phys. Lett. 81, 3657-3659 (2002).
  22. Voet, V. S. D., et al. Interface Segregating Fluoralkyl-Modified Polymers for High-Fidelity Block Copolymer Nanoimprint Lithography. J. Am. Chem. Soc. 133, 2812-2815 (2011).
  23. Zalusky, A. S., Olayo-Valles, R., Wolf, J. H., Hillmyer, M. A. Ordered Nanoporous Polymers from Polystyrene-Polylactide Block Copolymers. J. Am. Chem. Soc. 124, 12761-12773 (2002).
  24. Crossland, E. J. W., et al. A Bicontinuous Double Gyroid Hybrid Solar Cell. Nano Lett. 9, 2807-2812 (2008).
  25. Uehara, H., et al. Size-Selective Diffusion in Nanoporous but Flexible Membranes for Glucose Sensors. ACS Nano. 3, 924-932 (2009).
  26. Voet, V. S. D., et al. Poly(vinylidene fluoride)/nickel nanocomposites from semicrystalline block copolymer precursors. Nanoscale. 5, 184-192 (2013).
  27. Brinker, C. J., Scherer, J. W. . Sol-Gel Science: The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing. , (1990).
  28. Hsueh, H. -. Y., et al. Inorganic Gyroid with Exceptionally Low Refractive Index from Block Copolymer Templating. Nano Lett. 10, 4994-5000 (2010).
  29. Hsueh, H. -. Y., Ho, R. -. M. Bicontinuous Ceramics with High Surface Area from Block Copolymer Templates. Langmuir. 28, 8518-8529 (2012).
  30. Riedel, W. . Electroless Nickel Plating. , (1991).
  31. Mallory, G. O., Hajdu, J. B. Electroless Plating: Fundamentals and Applications. American Electroplaters and Surface Finishers Society. , (1992).
  32. Djokić, S. S. . Modern Aspects of Electrochemistry. , (2002).
  33. Djokić, S. S., Cavallotti, P. L. . Modern Aspects of Electrochemistry. , (2010).
  34. Crossland, E. J. W., Ludwigs, S., Hillmyer, M. A., Steiner, U. Control of gyroid forming block copolymer templates: effects of an electric field and surface topography. Soft Matter. 6, 670-676 (2010).
  35. Hsueh, H. Y., et al. Nanoporous Gyroid Nickel from Block Copolymer Templates via Electroless Plating. Adv. Mater. 23, 3041-3046 (2011).
  36. Vukovic, I., et al. Supramolecular Route to Well-Ordered Metal Nanofoams. ACS Nano. 5, 6339-6348 (2011).
  37. Mao, H., Hillmyer, M. A. Macroscopic samples of polystyrene with ordered three-dimensional nanochannels. Soft Matter. 2, 57-59 (2006).
  38. Kobayashi, Y., Tadaki, Y., Nagao, D., Konno, M. Deposition of Gold Nanoparticles on Polystyrene Spheres by Electroless Metal Plating Technique. J. Phys. Conf. Ser. 61, 582-586 (2007).
  39. Finnefrock, A. C., Ulrich, R., Toombes, G. E., Gruner, S. M., Wiesner, U. The plumber’s nightmare: a new morphology in block copolymer-ceramic nanocomposites and mesoporous aluminosilicates. J. Am. Chem. Soc. 125, 13084-13093 (2003).
  40. Tyler, C. A., Morse, D. C. Orthorhombic Fddd network in triblock and diblock copolymer melts. Phys. Rev. Lett. 94, 208-302 (2005).
  41. Ranjan, A., Morse, D. C. Landau theory of the orthorhombic Fddd phase. Phys. Rev. E. 74, 011803 (2006).
  42. Kim, M. I., et al. Stability of the Fddd Phase in Diblock Copolymer Melts. Macromolecules. 41, 7667-7670 (2008).

Tags

GyroidNickelNanostructuresDiblock CopolymerSupramoleculesNanoporous Metal FoamsCatalytic ActivityElectrical ConductivitySelf-assemblyBlock CopolymersPS-b-P4VP(PDP)Inverse Gyroid MorphologyElectroless PlatingPyrolysis

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Vukovic, I., Punzhin, S., Voet, V. S. D., Vukovic, Z., de Hosson, J. T. M., ten Brinke, G., Loos, K. Gyroid Nickel Nanostructures from Diblock Copolymer Supramolecules. J. Vis. Exp. (86), e50673, doi:10.3791/50673 (2014).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image