Summary

Multiwalled karbon nanotüpler kendinden montajlı etkinleştirmek için polistiren ve Anizotropik seçimdeki aşılama

Published: April 01, 2018
doi:

Summary

Bir yordam adımlarını izleyen kimyasal değişiklik kullanarak polistiren aşılı multiwalled karbon nanotüpler sentezi için seçmeli olarak tanıtılması polimer zincirleri için yanağında ve onların kendinden montajlı üzerinden Anizotropik seçimdeki olduğunu sundu.

Abstract

Yanağında modülasyon nanotüp yüzey özellikleri etkinleştirmek için bir serbest radikal polimerizasyon strateji aracılığıyla, polistiren (PS) zincirlerle bozulmamış multiwalled karbon nanotüpler (MWCNTs) greft için basit bir protokol göstermek ve kendinden montajlı taşınımı supramolecular üretmek. İlk olarak, bir catalytically aracılı bifazik oksidasyon reaksiyonu ile bozulmamış nanotüpler seçici bir prokollajen yanağında yüzeysel olarak dağıtılmış reaktif siteleri oluşturur. İkinci reaktif siteleri daha sonra polymerizable siteleri oluşturmak için bir silylated metakrilik habercisi kullanarak metakrilik moieties ile değiştirilir. Polymerizable grupların stiren nanotüp yanağında aşılı PS zincirleri içeren bir hibrid nanomaterial üretmek için daha fazla polimerizasyon karşılayabilirsiniz. Polimer-greft içerik, tanıttı silylated metakrilik moieties miktarı ve nanotüpler modifikasyonu prokollajen tanımlanır ve Thermogravimetric analizi (TGA) sayılabilir. Reaktif Fonksiyonel grupların hidroksil ve silylated metakrilat varlığı Fourier Transform Infrared spektroskopisi tarafından (FT-IR) doğruladı. Tetrahydrofuran (THF) polistiren aşılı karbon nanotüp çözümlerinde duvardan duvara collinearly otomatik olarak birleştirilmiş nanotüpler ne zaman döküm örnekleri transmisyon elektron mikroskobu (TEM) tarafından analiz edilir sağlar. Ne zaman uygun boşluklar benzer şekilde sigara aşılı karşıtları içeren benzer çözümlerinden döküm bu öz-derlemeleri elde değil. Bu nedenle, bu yöntem kendiliğinden otomatik-kuruluştan Nano içine sonuçları nanotüp Anizotropik seçimdeki yanağında adlı modifikasyonu sağlar.

Introduction

Tek duvarlı karbon nanotüpler (SWCNTs),1,2 keşif beri bilimsel topluluklar kendi üstün elektrik, mekanik ve termal özellikleri3 ‘ geniş bir kupür-kenar uygulamış olan uygulamaları onların yüzey özellikleri ile kovalent4 ve kovalent olmayan5 stratejileri oransal tarafından. Bu uygulamaları kullanımları sensörler,6,7 elektrotlar Güneş Pilleri dönüştürücüler olarak örnekleri,8 heterojen kataliz, sentez, anti-fouling10 9 nanoreactors destekler koruyucu filmi, kompozit malzemeler,11 dolgu ajanları12vs. Ancak, onların daha sağlam yüzey özellikleri, henüz endüstriyel kullanılabilir multiwalled meslektaşları Yani, nano, kovalent olmayan onların etkileşim içinde yön kontrol MWCNTs, modüle imkanı bir zor kalmıştır görev defa. 13

Madde, nano organizasyonu kontrol etmek için en çok yönlü stratejilerden birini kendinden montajlı Moleküler yapı taşları supramolecular. 14 , 15 bu anlamda, yön, kısa menzilli ve H-bond, Van der Waals, gibi dipol-dipol iyon-dipol dipol dipol kaynaklı, π π istifleme, ba * π, anyon-π, coulombic orta sınıf kovalent olmayan etkileşimleri supramolecular etkileşimleri dahil, diğerleri arasında. 16 ne yazık ki, kendinden montajlı için MWCNTs gibi daha geniş yapılar içinde yön spontan değildir ve genellikle dış sebebi Kuvvetleri (örneğin şablonlar veya enerji dağıtımı sistemleri) gerektirir. 17 nanotüpler ikinci gol,18 ama kovalent stratejileri kullanımı yeni alternatifler sunmak için bu sorunu çözmek için takip etmek uygun eş polimerler ile son kullanılan rapor kovalent olmayan kaydırma güçlükle keşfedilmiş kaldı.

Karbon nanotüpler kimyasal modifikasyonu seçime bağlı olarak farklı Fonksiyonel grupların termini veya aynı yanağında tanıtmak için yürütülen olabilir. 19 , 20 yüzey özelliklerini karbon nanoyapıların uyarlamak için en kullanışlı yaklaşımlar polimer-aşılama yoluyla standart polimerizasyon yollar biridir. Genellikle, bu yaklaşımlar polymerizable ön giriş içerir veya başlatıcı grup (Akrilik, vinil, vb) nanostructure yüzey ve onların birbirini izleyen polimerizasyon uygun bir monomer ile. 21 MWCNTs söz konusu olduğunda, bir meydan okuma onların seçimdeki Anizotropik bir biçimde denetlemek için yanağında üzerinde polimer zincirlerinin kovalent giriş kalmıştır.

Burada biz bir dizi basit kimyasal değişiklik adımları22,23 PS zincirleri MWCNTs yanağında üzerinde onların yüzey seçimdeki değiştirmek için ve onların Anizotropik tanıtmak için eklemek için uygulanabilir nasıl gösterir kendinden montajlı23 , nano. Değişiklik yol bir ilk adım yanağında, bozulmamış MWCNTs seçici prokollajen takip ederek bir bifazik catalytically hydroxylated meslektaşları Yani, verim için oksidasyon reaksiyonu MWCNT-OH aracılı sağlar. İkinci bir adım 3-(trimethoxysilyl) kullanan propil metakrilat (TMSPMA) önceden oluşturulmuş hidroksil grupları (MWCNT-O-TMSPMA) silylated metakrilik moieties tanıtmak. Bu uçlar stiren monomer nanotüpler (Yani MWCNT-O-PS) sonunda yanağında aşılı polimer zincirleri böylece verimli metakrilik moieties üzerinden polimerli zaman sırasında yüzey reaktif siteleri üçüncü adım, sağlayacaktır.

Protocol

Dikkat: Lütfen ilgili tüm malzeme güvenlik bilgi formları (MSDS) kullanmadan önce danışın. Bu protokol için kullanılan kimyasalların çeşitli akut toksik ve kanserojen. Karbon nanotüp türevleri ek solunum tehlikeler diğer geleneksel toplu karbon siyanürlerin karşılaştırıldığında olabilir. Kanserojen özellikleri tamamen defa aydınlatılmamıştır değil olsa karbon nanotüpler aerosol olarak akciğerler asbest, daha benzer bir şekilde etkileyebilir şüpheleniliyor. Lütfen tüm uygun güvenlik…

Representative Results

TGA veri bozulmamış nanotüpler, hydroxylated nanotüpler, silylated metakrilik moieties ile modifiye nanotüpler ve polistiren aşılı nanotüpler (şekil 1) toplanmıştır. FT-IR sonuçlar toplanan hydroxylated nanotüpler ve nanotüpler Modifiye ile silylated metakrilik moieties (Şekil 2). TEM görüntüleri bozulmamış nanotüpler ve polistiren aşılı nanotüpler (şekil 3) toplanmıştı…

Discussion

Bu yöntem, başarılı bir aşılama işlemi güvence altına almak için kritik neden bazı adımlar vardır. İlk olarak, catalytically aracılı bifazik oksidasyon reaksiyonu (Adım 1.1) son dağınık karbon nanotüpler (Adım 1.1.1.5) ile yapılmalıdır. Dağılım protokol önerileri göre kamunun sonuçlanırsa, bir ultrasonik ipucu sonicator kullanımı aynı endikasyonları (Adım 1.1.1.6) kullanıyorsanız yararlı olacaktır. Daha kısa MWCNTs kullanarak da dağılım Sorunları çözmede yardımcı olabilir…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ulusal Özerk Meksika Üniversitesi (grant numaraları 5000-9158, 5000-9156, IA205616 ve IA205316) FQ-PAIP ve DGAPA-PAPIIT programlarından kabul etmek istiyoruz ve bilim ve teknoloji Meksika Ulusal Konseyi – CONACYT-(numarası vermek 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

  1. Iijima, S. Helical Microtubules of Graphitic Carbon. Nature. 354, 56-58 (1991).
  2. Iijima, S., Ichihashi, T. Single-Shell Carbon Nanotubes of 1-nm Diameter. Nature. 363, 603-605 (1993).
  3. Dai, H. Carbon Nanotubes: Synthesis, Integration and Properties. Acc. Chem. Res. 35, 1035-1044 (2002).
  4. Karousis, N., Tagmatarchis, N. Current Progress on the Chemical Modification of Carbon Nanotubes. Chem. Rev. 110, 5366-5397 (2010).
  5. Zhao, Y. L., Stoddart, J. F. Noncovalent Functionalization of Single-Walled Carbon Nanotubes. Acc. Chem. Res. 42, 1161-1171 (2009).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Miners, S. A., Rance, G. A., Khlobystov, A. N. Chemical Reactions Confined within Carbon Nanotubes. Chem. Soc. Rev. 45, 4727-4746 (2016).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Lehn, J. M. Perspectives in Chemistry – Steps towards Complex Matter. Angew. Chem. Int. Ed. 52, 2836-2850 (2013).
  15. Mattia, E., Otto, S. Supramolecular Systems Chemistry. Nat. Nanotechnol. 10, 111-119 (2015).
  16. Leh, J. M. . Supramolecular Chemistry: Concepts and Perspectives. , (1995).
  17. Escárcega-Bobadilla, M. V., et al. Nanorings and Rods Interconnected by Self-Assembly Mimicking an Artificial Network of Neurons. Nat. Commun. 4, 2648 (2013).
  18. Gegenhuber, T., et al. Noncovalent Grafting of Carbon Nanotubes with Triblock Terpolymers: Toward Patchy 1D Hybrids. Macromolecules. 48, 1767-1776 (2015).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Shriver, D. F., Drezdzon, M. A. . The Manipulation of Air-Sensitive Compounds. , (1986).
  25. 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).
  26. 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).

Play Video

Cite This Article
Arenas-García, J., Escárcega-Bobadilla, M. V., Zelada-Guillén, G. A. Grafting Multiwalled Carbon Nanotubes with Polystyrene to Enable Self-Assembly and Anisotropic Patchiness. J. Vis. Exp. (134), e56267, doi:10.3791/56267 (2018).

View Video