مقالة منهجية

طبقة تلو طبقة تجميع ونقل طليق مترافق الصغيرة التي بوليمر Nanomembranes

DOI:

10.3791/53324

⸱

ديسمبر 15, 2015

 ,  ,  , 
1Institute of Functional Interfaces, Karlsruhe Institute of Technology

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

في هذه الورقة نصف التوليف البيني للبوليمرات الصغيرة التي يسهل اختراقها (CMP) على ركائز القرابين ، وتفكك الركيزة لإعداد الأغشية النانوية CMP القائمة بذاتها. بالإضافة إلى ذلك ، سوف نصف كيف يمكن نقل الأغشية النانوية الهشة إلى ركائز أخرى.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

جذبت CMP مواد مساحة كبيرة كما تزايد الاهتمام في الآونة الأخيرة، وذلك بسبب التباين الشديد في إدماج المجموعات الوظيفية في تركيبة مع الاستقرار الحرارية والكيميائية الرائعة التي قاموا بها، والكثافة المنخفضة. ومع ذلك، وطبيعتها غير قابلة للذوبان يسبب مشاكل في تجهيزها منذ التقنيات المستخدمة عادة مثل طلاء تدور غير متوفرة. خاصة بالنسبة للتطبيقات الغشاء، حيث تجهيز CMP كما الأغشية الرقيقة غير مرغوب فيه، ومعالجة المشاكل أعاقت تطبيق تجاريا.

نحن هنا وصف التوليف بينية من CMP الأغشية الرقيقة على ركائز functionalized عبر الجزيئي طبقة تلو طبقة (LBL) التوليف. هذه العملية تسمح إعداد الأفلام مع سمك المطلوب والتكوين والتدرجات التكوين حتى المرجوة.

استخدام دعامات الأضاحي يسمح إعداد الأغشية قائما بذاته من قبل انحلال الدعم بعدالتوليف. للتعامل مع مثل هذه الأغشية قائما بذاته رقيقة جدا حماية مع الطلاء الأضاحي أظهرت وعدا كبيرا، لتجنب تمزق nanomembranes. لنقل nanomembranes إلى الركيزة المطلوب، وupfloated الأغشية المغلفة في واجهة الهواء السائل ومن ثم نقلها عبر تراجع الطلاء.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يعد تحضير أغشية البوليمر فائقة النحافة ذا أهمية كبيرة للتطبيقات في فصل الغازات والترشيح النانوي. تتمثل التحديات في التخليق من خلال (أ) التحكم في سمك الغشاء وتجانسه و (ب) نقل هذه الأغشية الهشة. للتغلب على التحدي (أ) ، أظهر التخليق الجزيئي طبقة تلو الأخرى1 وعدا كبيرا في التحكم في سمك وتجانس الأغشية الرقيقة المزروعة في الواجهة الصلبة والسائلة. 2،3 التحكم في عدد الطبقات يتحكم خطيا في سمك الفيلم. تم استخدام طريقة l-b-l بنجاح لتصنيع الأطر العضوية المعدنية المثبتة على السطح (SURMOFs) ، 4-7 كما تم إثبات تخليق أغشية البوليمر الرقيقة عبر تفاعل l-b-l لسلاسل البوليمر. 8 يتعلق التحدي (ب) بالتعامل مع هذه الأغشية الرقيقة للغاية. لتجنب تمزق أو تجعد الأغشية النانوية ، أظهرت دعامات القرابين للطلاء وعدا كبيرا. 9

هنا سنقدم بروتوكولا مفصلا لتخليق البوليمر الصغير الذي يسهل اختراقه (CMP) 10-13 من خلال الإضافة المتسلسلة للكتل الأساسية الجزيئية ، مع السماكة والتكوين المطلوبين. يتم تحضير الأغشية النانوية CMP القائمة بذاتها باستخدام دعم القرابين. للتعامل مع الأغشية النانوية CMP ونقلها إلى دعامات أخرى ، سنصف بروتوكولا بسيطا لحماية الأغشية بطلاء القرابين وطفوها إلى واجهة الهواء السائل ونقلها اللاحق باستخدام طلاء الغمس.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. توليف CMP أغشية رقيقة من خلال إضافة متتابعة

  1. أحادي الطبقة الذاتي تجميعها (SAM) functionalization من الذهب على الميكا.
    1. إعداد 1 ملم حل 11 thioacetyl-undecane حمض propargyl أميد 14 في الإيثانول (SAM-الحل). مزيج باستخدام حمام بالموجات فوق الصوتية حتى حل واضح. حماية زجاجة من الضوء باستخدام رقائق الألومنيوم.
    2. الحصول على الذهب المطلي الميكا رقاقة تحت الأرجون. بعد الانسحاب من حاوية تخزين تزج الرقاقة الميكا مباشرة إلى SAM-حل لمدة 18 ساعة.
    3. اتخاذ استعداد الاتحاد الافريقي الميكا ويفر من SAM-حل، وشطف مع الإيثانول والجافة تحت دفق النيتروجين. بعد ذلك تخزين الركيزة محمية من الضوء وتحت غاز خامل.
  2. حلول السلائف.
    1. تزن 18.64 ملغ النحاس والمحفز (Tetrakis (الأسيتونتريل) النحاس (I) hexafluoro فوسفات)، 20.83 ملغ tetraphenylmethane (TPM) -alkyne و24،22 ملغ TPM-أزيد وملء كل عنصر في قارورة Schlenk منفصلة.انظر الشكل 1 لTPM-آلكاين وTPM-أزيد، يوصف التوليف في مرجع 15. إخلاء وإعادة ملء مع غاز خامل (N 2 أو الأرجون) 3 مرات.
    2. إضافة 25 مل رباعي هيدرو الفوران خالية من المياه (THF) إلى كل قارورة Schlenk. حماية قوارير مع TPM-أزيد وTPM-آلكاين من الضوء باستخدام رقائق الألومنيوم.
  3. إعداد الجهاز للCMP تلفيق.
    ملاحظة: يتم عرض الجهاز التوليف في الشكل 2.
    1. استخدام 250 مل واحد الرقبة أسفل جولة قارورة. ملء 130 مل THF. وضع الركيزة أعد المغلفة مع آلكاين إنهاء SAM في العينة المقصورة. استخدام صاحب العينة، بحيث الركيزة يقف منتصبا.
    2. توصيل الجهاز إلى خط Schlenk عبر مفرق على الجزء العلوي من برودة الجزر.
    3. إخلاء وتهوية مع غاز خامل 3 مرات.
  4. بالإضافة إلى ذلك متتابعة في ظل ظروف الخاملة.
    1. ضبط سخان إلى 90 درجة مئوية، والانتظار حتى THF هو إعادةالصهر.
    2. السماح بها THF من حجرة العينة على منفذ في الجزء السفلي من العينة المقصورة. إغلاق منفذ.
    3. اعطاء 1 مل من محلول TPM-أزيد استعداد و 0.5 مل من محلول النحاس (I) حافزا لعينة مقصورة عبر سقف المسمار مع الحاجز. استخدام المحاقن مع إبرة مجوفة لنقل بالتسلسل الحلول من القارورة Schlenk إلى جهاز التفاعل. ملاحظة: تسلسل ليس له تأثير على رد الفعل.
    4. انتظر حوالي 30 دقيقة.
    5. السماح بها محلول التفاعل عبر منفذ في الجزء السفلي من العينة المقصورة. إغلاق منفذ وجمع THF المكثف للشطف العينة. انتظر حوالي 30 دقيقة.
    6. يسمح له بالخروج الحل الشطف عبر منفذ في الجزء السفلي من العينة المقصورة. إغلاق منفذ.
    7. اعطاء 1 مل من حل TPM آلكاين استعداد و 0.5 مل من محلول النحاس (I) حافزا لعينة مقصورة عبر سقف المسمار مع الحاجز. استخدام المحاقن مع جوفاءإبرة لنقل بالتسلسل الحلول من القارورة Schlenk إلى جهاز التفاعل. ملاحظة: تسلسل ليس له تأثير على رد الفعل.
    8. انتظر حوالي 30 دقيقة.
    9. السماح بها محلول التفاعل عبر منفذ في الجزء السفلي من العينة المقصورة. إغلاق منفذ وجمع THF المكثف للشطف العينة. انتظر حوالي 30 دقيقة.
    10. كرر الخطوات من 1.4.3 إلى 1.4.9 حتى يتم الوصول إلى المبلغ المطلوب من طبقات. ملاحظة: طبقة واحدة هي حوالي 1 نانومتر سميكة.
    11. اخراج الركيزة الميكا CMP المغلفة، وشطف مع THF، والإيثانول وجففه تحت تيار النيتروجين.

2. نقل CMP Nanomembranes

  1. بولي (ميتاكريليت الميثيل) (PMMA) حل.
    1. يعد حل من 4٪ (وزن) PMMA (M 996 كيلو دالتون) في خلات الإيثيل. حل PMMA استخدام حمام بالموجات فوق الصوتية حتى حل واضح.
  2. تدور طلاء حل PMMA.
    1. تعيين المغطي تدور لالتهاب المفاصل الروماتويديالنائب الساعة 10 ثانية من 0 إلى 4000 دورة في الدقيقة، وعقد غضون 40 ثانية، والمنحدر الوقت 10 ثانية من 4000 إلى 0 دورة في الدقيقة.
    2. وضع CMP الميكا المغلفة الركيزة على المغطي تدور ووضع حل PMMA على الرقاقة حتى أنها مغطاة بالكامل. بدء المغطي تدور.
    3. بعد اكتمال طلاء تدور، ووضع العينة لمدة 5 دقائق على لوحة التدفئة على 90 درجة مئوية.
    4. قطع 1 ملم من كل حافة الركيزة الميكا المغلفة. استخدام مقص لقطع الحواف.
  3. نقل PMMA المغلفة CMP nanomembrane.
    1. إعداد حل I 2 / KI / H 2 O (1: 4: 40 م / م / م) وKI / H 2 O (1:10 م / م).
    2. ملء حل I 2 / KI H 2 O في 150 مل بلورة صحن وملء حل KI / H 2 O في 100 مل بلورة الطبق. وضع CMP الذهب PMMA المغلفة على الركيزة الميكا، مع الميكا في الاتصال إلى حل، على رأس I 2 / KI / H 2 O الحل. كن حذرا بأن لا يغرق.الانتظار 5 دقائق على الأقل.
    3. وضع PMMA المغلفة CMP الميكا الذهب الركيزة من I 2 / KI / H 2 O حل على رأس من الحل KI / H 2 O، مع الميكا في الاتصال إلى حل. كن حذرا بأن لا يغرق. الانتظار 5 دقائق على الأقل.
    4. ملء الماء المقطر في 250 مل بلورة الطبق. تجريدها من PMMA / CMP فيلم / الذهب من الميكا. القيام بذلك عن طريق غمر قليلا الركيزة، ابتداء من حافة واحدة، في الماء المقطر. عقد الركيزة بحيث الميكا يشير إلى الماء. ملاحظة: يتم عرض هذا الإجراء في الشكل (3).
    5. تراجع معطف وPMMA / CMP / الذهب على رقاقة السيليكون. القيام بذلك عن طريق الاقتراب من PMMA / CMP / الذهب ببطء مع رقاقة حتى يلمس حافة PMMA سباحة / CMP غشاء / الذهب. سحب رقاقة السيليكون ببطء، وبمجرد أن سي رقاقة في اتصال مع PMMA / CMP / غشاء الذهب.
    6. تجريد PMMA / CMP / فيلم الذهب الخروج من رقاقة السيليكون. القيام بذلك عن طريق غمر قليلا الركيزة، ابتداء من واحد أدشركة جنرال الكتريك، في I 2 / KI / H 2 O الحل. انتظر 15 دقيقة.
    7. بعد محفورا الذهب تماما، ونقل غشاء PMMA / CMP على المياه عن طريق رقاقة السيليكون. انتظر 15 دقيقة.
    8. كرر الخطوة 2.3.7 ثلاث مرات لغسل الغشاء بالماء.
    9. نقل الغشاء PMMA / CMP غسلها إلى الركيزة المطلوب، على سبيل المثال، شريحة المجهر أو الذهب المطلي رقاقة السيليكون، عبر طريقة المذكورة في الخطوة 2.3.5. السماح للPMMA / CMP الركيزة الجافة في الهواء لمدة لا تقل عن 2 ساعة.
  4. حل PMMA.
    1. وضع الركيزة PMMA / CMP في الأسيتون. انتظر 30 دقيقة. اخراج الركيزة وشطفه مع الأسيتون.
    2. كرر الخطوة 2.4.1 ثلاث مرات.
    3. السماح للCMP الركيزة جافة لمدة لا تقل عن 2 ساعة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وتتميز أغشية بواسطة الأشعة تحت الحمراء امتصاص انعكاس الطيفي (IRRAS). ويبين الشكل 16 4 IRRA-أطياف من CMP غشاء نقلها إلى رقاقة الذهب. العصابات نموذجية من الاهتزازات من العمود الفقري العطرية هي في 1605 سم -1، 1515 سم -1 و 1412 سم -1. مجموعة آلكاين وأزيد غير المتفاعل يمكن ملاحظة من قبل عصابات مميزة في 2125 سم -1 و 1227 سم -1. يبين الشكل 5 صورة المجهر الإلكتروني (SEM). ا...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

لتوليف للCMP فيلم الحل المحفز أن تكون طازجة. يشار إلى محفز كسر (أي أكسدة) من قبل تلوين الزرقاء من الحل. الحل الطازج هو عديم اللون.

والنقطة الحاسمة هي لقطع حواف الركيزة الميكا بعد طلاء تدور PMMA. أيضا عيوب في الركيزة يجب أن تقطع، أي كانت كل بقعة PMMA يمكن أن تأتي في اتصال مع الركيزة الميكا، وبسبب وجود طبقة الذهب في عداد المفقودين. وإلا فإن طبقة الذهب لا يمكن خلع من الركيزة الميكا بسهولة. أيضا بشأ...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

المؤلفون ليس لديهم أي اعترافات.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
الأسيتونVWR BDH Prolabo20066.330AnalR NORMAPUR
يوديد البوتاسيومVWR BDH Prolabo26846.292AnalR NORMAPUR
أسيتات الإيثيلVWR BDH Prolabo23882.321AnalR NORMAPUR
Tetrahydrofuran (THF)VWR BDH Prolabo28559.320HiPerSolv CHROMANORM
THF خالية من الماءميرك ميليبور1.08107.1001SeccoSolv
اليودسيجما ألدريتش20،777-2
رباعي (أسيتونيتريل) النحاس (I) سداسي فلورو فوسفاتسيجما ألدريتش346276-5G
بولي (ميثيل ميثاكريلات) 996 كيلو دالتون (PMMA)سيجما ألدريتش182265-25G
1.1.1.1 ميثانيتتريلتيتراكيس (4-أزيدوبنزين) (TPM-azide)مقدمة من AK Prof. Bräse. معهد الكيمياء العضوية ، معهد كارلسروه للتكنولوجيا. يتم تصنيعه وفقا ل 9< / sup>.
1.1.1.1 Methanetetrayltetrakis (4-ethinylenebenzene) (TPM-alkyne)مقدمة من AK Prof. Bräse. معهد الكيمياء العضوية ، معهد كارلسروه للتكنولوجيا. يتم تصنيعه وفقا ل 9< / sup>.
11-ثيوأسيتيل - أونديكان حمض بروبارجيلاميدمقدمة من AK Prof. Br & auml;se. معهد الكيمياء العضوية ، معهد كارلسروه للتكنولوجيا. يتم تصنيعه وفقا ل 8< / sup>.
رقاقة السيليسيوم المطلية بالذهب / تيتانجورج ألبرت PVD ، 76857 Silz ، ألمانيا
ميكا مطلية بالذهبجورج ألبرت PVD ، 76857 Silz ، ألمانيا

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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, Springer. Berlin Heidelberg. 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).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

مقالات ذات صلة