סריקה Conductometry (TSC) כמו ג ' לים כללי שיטת לימוד ושליטה על ההתנהגות שלב גופניים מוליך תרמי
Summary
קינטיקה של תהליך הקירור מגדירה את המאפיינים של מוצקים יוניים מבוסס על משקל מולקולרי נמוך gelators. כתב יד זה מתאר את השימוש conductometry סריקה תרמית (TSC), אשר מקבל שליטה מלאה על תהליך gelation, יחד עם המידות ב באתרו של הטמפרטורה של הדגימות, מוליכות.
Abstract
פרוטוקול conductometry סריקה תרמית היא גישה חדשה בלימוד מוצקים יוניים מבוסס על משקל מולקולרי נמוך gelators. השיטה מיועדת לעקוב אחר מצב משתנה באופן דינמי ionogels, וכדי לספק מידע ופרטים נוספים אודות השינוי עדין של מאפייני מוליך עם עלייה או ירידה בטמפרטורה. יתר על כן, השיטה מאפשרת ביצוע מדידות לטווח ארוך (דהיינו ימים, שבועות) בטמפרטורה קבועה כדי לחקור את יציבות ועמידות של המערכת ואת ההשפעות הזדקנות. היתרון העיקרי של השיטה TSC על conductometry הקלאסית היא היכולת לבצע מדידות במהלך תהליך gelation, אשר היה בלתי אפשרי עם השיטה הקלאסית בשל ייצוב הטמפרטורה, אשר בדרך כלל לוקח זמן רב לפני מדידה בודדות. זוהי עובדה ידועה כי כדי להשיג את השלב הפיזי ג’ל, השלב קירור חייבת להיות מהירה; יתר על כן, תלוי בקצב קירור, מזערים שונים יכולה להיות מושגת. ניתן לבצע את שיטת TSC בכל אופן קירור/חימום זה יכול להיות סמוך ובטוח על ידי מערכת טמפרטורה חיצוני. במקרה שלנו, נוכל להשיג מחירים שינוי טמפרטורה לינארי בין 0.1 לכ-ל 10 ° C/min. התרמי סריקה conductometry מיועדת לעבודה במחזורים, משתנה ללא הרף בין חימום וקירור בשלבים. גישה כזו מאפשר חקר הפארמצבטית של המעבר שלב הפיך תרמית ג’ל-סול. יתר על כן, היא מאפשרת את הביצועים של פרוטוקולים ניסויים שונים על הדגימה זהה, אשר ניתן לרענן למצב הראשוני (במקרה הצורך) ללא הסרת מתא המדידה. לכן, המדידות יכולה להתבצע מהר יותר, בצורה יעילה יותר, ועם הרבה הפארמצבטית ודיוק גבוהים. בנוסף, השיטה TSC יכול גם לשמש ככלי כדי לייצר את ionogels עם מאפייני יישוב, כמו מיקרו, עם אפיון מיידית של מאפייני מוליך.
Introduction
Ionogels תרמית הפיך
Gelation הפיזי הוא תהליך המאפשר הבנייה של מבנים של מולקולות gelator עצמית שהורכב בנוכחותו של מולקולות הממס. בשל אופיו הלא-קוולנטיות של אינטראקציות אחראי על התופעה (למשל מימן מליטה, אינטראקציות ון דר Waals, פיזור כוחות, כוחות אלקטרוסטטית, π-π בערימה, וכדומה), מערכות אלו הם הפיכים תרמית. הפיכות זו תרמית, יחד עם ריכוז נמוך מאוד של gelator, מגוון רחב של מערכות שניתן ליצור, הם חלק היתרונות העיקריים של ג’לים פיזית מעל כימיות. בזכות תכונותיו הייחודיות של המדינה ג’ל הפיזי, ionogels מאופיינים עם תכונות רצויות כמו קל מיחזור, מחזור ארוך החיים, תכונות פיזיקליות משופרת (למשל יוניים מוליכות), קלות הייצור, והורדת עלויות הייצור. ניקח בחשבון היתרונות הנ של ג’לים הפיזי (אשר כבר יש מגוון רחב של יישומים שונים1,2,3,4), אלה נחשבו כדי לשמש כדרך חלופית עבור אלקטרוליט התמצקות, קבלת ionogels5,6,7,8. עם זאת, conductometry הקלאסית לא היה רגיש ומדויק מספיק כדי לעקוב אחר מערכות כאלה בשומר. לכן, היא לא היתה אפשרות לזהות את מעברי פאזה, משופרת דינמיקה של יונים ב ג’ל מטריקס9. הסיבה זה חוסר רגישות הייתה הפעם לצורך ייצוב הטמפרטורה, שבמהלכו שינויים דינמיים של המאפיינים לדוגמה היו בדרך לפני המדידה החלה. יתר על כן, מספר נמדדו טמפרטורות היה מוגבל לפי הסדר, לא להאריך באופן משמעותי את זמן הניסוי. לכן, באופן מלא ומדויק לאפיין את ionogels, שיטה חדשה היה צורך, בו יוכל לעקוב אחר השינויים הדינמיים של מאפייני כפונקציה של הטמפרטורה, ולהקליט נתונים באופן רציף בזמן אמת. איך שמתנהל תהליך gelation קובע את מאפייני ionogel שנוצר. האינטראקציות הבין-מולקולרי-קשרי ערכיות מוגדרים במהלך שלב הקירור; על ידי שינוי הטמפרטורה gelation וקירור המחירים, אדם יכול להשפיע בחריפות את האינטראקציות האלה. לכן, היה חשוב מאוד למדוד את המערכת במהלך הקירור כאשר gelation מתקיים. עם הגישה הקלאסית, זה היה בלתי אפשרי בשל הטמפרטורה מייצב זמן המדידה, ושיעורי מהר הקירור הדרוש עבור gelation מוצלח. עם זאת, עם התרמי סריקה conductometry שיטת משימה זו היא פשוטה מאוד, מספק תוצאות לשחזור ומדויקים, מאפשר החקירה של השפעת קינטיקה שונים של שינויים תרמיים חלה על המדגם על מאפייני מדגם 10. כתוצאה מכך, ionogels עם מאפייני יישוב יכול להיות למד ומיוצרים בו זמנית.
תרמית סריקה Conductometry (TSC)
התרמי סריקה conductometry הוא אמור לספק שיטה ניסיונית מגיבה לשחזור, מדויק ומהיר עבור מדידת מוליכות משתנה באופן דינמי, מערכות הפיך תרמית, כמו ionogels מבוסס על משקל מולקולרי נמוך gelators. עם זאת, ניתן גם להשתמש עם אלקטרוליטים, יונית נוזלים אחרים דוגמה ניצוח ניתן למקם בתא מדידה, יש מוליכות בטווח המדידה של החיישן. בנוסף, מלבד היישום של המחקר, שיטת בהצלחה שימשה מייצר ionogels עם מאפייני יישוב כמו מיקרו, המראה אופטי או יציבות תרמית, ולא שלב טמפרטורת המעבר בצורה מדויקת וקלה. בהתאם קינטיקה תולדות בטיפול תרמי עם השימוש בשיטת TSC, אנו משיגים שליטה מלאה על כמה מאפיינים בסיסיים של מערכות ג’ל הפיזי. בנוסף לחדר יש כבר מצוידים במצלמת וידאו לבחון את מצב מדגם ולהקליט את השינויים של המדגם במיוחד במהלך gelation ותהליכים ההמסה. יתרון נוסף של השיטה TSC הוא הפשטות שלה, כמו המערכת יכול להיבנות מן conductometer סטנדרטי, בקר טמפרטורה לתכנות, הקו חנקן גז המדיום חימום/קירור, המקרר, הקאמרית מדידה של מחשב, אשר ניתן למצוא ברוב מעבדות.
אתר נסיוני TSC
יכול להיות בנוי התרמי סריקה conductometry הגדרת הניסוי במעבדה כמעט כל עם עלויות נמוכות יחסית. בתמורה, הוא מקבל שיטה מדויקת, הדירים מהר למדידת דגימות מוליך נוזלי חצי קשות-תנאים חיצוניים שונים. ערכת נתונים היסטוריים של ההתקנה TSC ניסיוני שנבנה במעבדה שלנו הוא נתון איור 1.
איור 1: דיאגרמת בלוק של אתר מדידה. הרכיבים המורכב על עבודה הגדרת הניסוי עבור שיטת conductometry סריקה תרמית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
עבור שינוי הטמפרטורה, שימש בקר טמפרטורה תוצרת בית, אבל כל סוג של בקר טמפרטורה לתכנות, אשר ניתן לשנות את הטמפרטורה באופן ליניארי עם קצב שינוי מוגדר, יכול לשמש. בידוד תרמי, נבנה חדר מיוחד. המטרה של שימוש בחדר בידוד היא למזער את הטמפרטורה אופקי מעברי צבע במדגם, כדי להבטיח שיעורי קירור מהיר. התא מורכב גליל זכוכית עם 40 מ מ פנימית בקוטר של 300 מ”מ אורך. על הצד התחתון, שבו החימום עם חנקן גז אינלטס ממוקמים, סוף הים מצויד diffusor להפיץ באופן שווה את הגז חם או קר. זהו גם המקום שבו נמצא חיישן טמפרטורה PT100 של בקר טמפרטורה משתנה (VTC). הטמפרטורה של המדגם מתועד באופן עצמאי על ידי חיישן טמפרטורה ממוקם חיישן מוליכות. בנוסף, לתא יש כבר מצוידים במצלמת וידאו לבחון את מצב מדגם ולהקליט את השינויים של המדגם במיוחד במהלך gelation ותהליכים ההמסה. חנקן גז המתקבל אידוי של חנקן נוזלי במיכל לחץ גבוה 250 L משמש כאמצעי חימום וקירור. הלחץ עובד בקו חנקן נקבע ל- 6 ברים, והוריד את 2 ברים באתר מדידה. הגדרות כאלה מאפשרות את הקניית זרימה המחירים בין 4 ל- 28 L/דקה ללא כל הפרעות, אשר מאפשר קצב הקירור של 10 ° C/min. כדי להנמיך את הטמפרטורה ההתחלתית של גז חנקן, שימש את המקרר חיצוני, הטמפרטורה ירדה היה 10 מעלות צלזיוס. פעולה זו מאפשרת את הקניית ליניאריות טובה של שינוי הטמפרטורה, החל מבטמפרטורת החדר. במהלך קירור מהיר, הטמפרטורה של הגז חנקן הוא ירד לטאוואנג לסייע שיעורי קירור גבוהים. יש צורך להשתמש חנקן גז, ואתה אפילו לא לייבש את האוויר, כדי למנוע התקרחות המקרר בגלל טמפרטורות נמוכות.
הדגימות היו מוכנס לתוך בקבוקון של הקוטר הפנימי 9 מ מ, אורך 58 מ מ, פוליפרופילן, מצוידים עם כובע בורג, אשר יש טבעת גומי חזק לסגירה. הבקבוקונים יכול לשמש עד 120 מעלות צלזיוס. (ראה איור 2).
איור 2: התמונה של בקבוקון פוליפרופילן ו שלה גובר על חיישן מוליכות. (1) הבקבוקון פוליפרופילן, (2) פקקי בורג עם טבעת גומי, 2a – הכיפה בורג רכוב על חיישן מוליכות, (3) את המבחנה עם חיישן מוליכות הנטען, הכיפה בורג מאובטח עם קלטות טפלון. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
Protocol
Representative Results
Discussion
התרמי סריקה conductometry היא שיטה ניסיונית חדשה אשר הוכיחה להיות דרך יעילה של חוקר מערכות בשומר, כמו ionogels המבוססת על gelators נמוך משקל מולקולרי, אלקטרוליטים, או נוזלים יוניים. עם זאת, את תחולתן אינה מוגבלת רק ionogels. השיטה TSC ניתן בקלות עם סוגים אחרים של ניהול מערכות חומר רך כמו hydrogels, אמולסיות, קרמים א?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
תמיכה כספית עבור עבודה זו סופק על ידי המרכז הלאומי למדע כמו מענק מס דצמ-2013/11/D/ST3/02694.
Materials
| SevenCompact S230 conductometer | Mettler-Toledo | equiped with InLab 710 sensor | |
| home-build VTC | |||
| LabX PH 3.2 software | Mettler-Toledo | software used for data aqusition | |
| tetraethylammonium bromide | Sigma-Aldrich | 140023 | |
| glycerol | Sigma-Aldrich | G5516 | |
| methyl-4,6-O-(p-nitrobenzylidene)-a-D-glucopyranose | synthezied according to Gronwald, O., Shinkai, S., J. chem. Soc., Perkin Trans. 2 1933-1937 (2001). | ||
| [im]HSO4 | synthezeid by group of prof. Mohammad Ali Zolfigol, Faculty of Chemistry Bu-Ali Sina University Hamedan, I.R.Iran according to Bielejewski, M., Ghorbani, M., Zolfigol, M., Tritt-Goc, J., Noura, S., Narimani, M., Oftadeh, M. RSC Adv. 6, 108896-108907 (2016). |
||
| polypropylene vial | Paradox Company, Cracow, Poland | PTC 088 | www.insectnet.eu |
References
- Bielejewski, M. Novel approach in determination of ionic conductivity and phase transition temperatures in gel electrolytes based on Low Molecular Weight Gelators. Electochim. Acta. 174, 1141-1148 (2015).
- Bielejewski, M., Łapiński, A., Luboradzki, R., Tritt-Goc, J. Influence of solvent on the thermal stability and organization of self-assembling fibrillar networks in methyl-4,6-O-(p-nitrobenzylidene)-α-D-glucopyranoside gels. Tetrahedron. 67, 7222-7230 (2011).
- Atsbeha, T., et al. Photophysical characterization of low-molecular weight organogels for energy transfer and light harvesting. J. Mol. Struct. 993, 459-463 (2011).
- Gronwald, O., Snip, E., Shinkai, S. Gelator for organic liquids based on self-assembly: a new facet of supramolecular and combinatorial chemistry. Curr. Opinion in Coll. Interface Sci. 7, 148-156 (2002).
- Vintiloiu, A., Leroux, J. C. Organogels and their use in drug delivery-a review. Control. Rel. 125, 179-192 (2008).
- Wang, Z., Fujisawa, S., Suzuki, M., Hanabusa, K. Low Molecular Weight Gelators Bearing Electroactive Groups as Cathode Materials for Rechargeable Batteries. Macromol. Symp. 364, 38-46 (2016).
- Sharma, N., et al. Physical gels of [BMIM][BF4] by N-tert-butylacrylamide/ethylene oxide based triblock copolymer self-assembly: Synthesis, thermomechanical, and conducting properties. J. Appl. Polym. Sci. 128, 3982-3992 (2013).
- Tao, L., et al. Stable quasi-solid-state dye-sensitized solar cell using a diamide derivative as low molecular mass organogelator. J. Power Sources. 262, 444-450 (2014).
- Kataoka, T., Ishioka, Y., Mizuhata, M., Minami, H., Maruyama, T. Highly Conductive Ionic-Liquid Gels Prepared with Orthogonal Double Networks of a Low-Molecular-Weight Gelator and Cross-Linked Polymer. ACS Appl. Mater. Interfaces. 7, 23346-23352 (2015).
- Bielejewski, M., Nowicka, K., Bielejewska, N., Tritt-Goc, J. Ionic Conductivity and Thermal Properties of a Supramolecular Ionogel Made from a Sugar-Based Low MolecularWeight Gelator and a Quaternary Ammonium Salt Electrolyte Solution. J. Electrochem. Soc. 163, G187-G195 (2016).
- Gronwald, O., Shinkai, S. Bifunctional’ sugar-integrated gelators for organic solvents and water-on the role of nitro-substituents in 1-O-methyl-4,6-O-(nitrobenzylidene)-monosaccharides for the improvement of gelation ability. J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2, 1933-1937 (2001).
- Bielejewski, M., Ghorbani, M., Zolfigol, M., Tritt-Goc, J., Noura, S., Narimani, M., Oftadeh, M. Thermally reversible solidification of novel ionic liquid [im]HSO4 by self-nucleated rapid crystallization: investigations of ionic conductivity, thermal properties, and catalytic activity. RSC Adv. 6, 108896-108907 (2016).
