يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

التوليف وتقشير من Discotic الزركونيوم الفوسفات للحصول على بلورات الغروية السائل

8.3K مشاهدة

⸱

DOI:

10.3791/53511

⸱

مايو 25, 2016

 ,  ,  , 
1Department of Materials Science and Engineering, Texas A&M University, 2Artie McFerrin Department of Chemical Engineering, Texas A&M University, 3Mary Kay O'Connor Process Safety Center, Texas A&M University, 4Professional Program in Biotechnology, Texas A&M University

في هذه المقالة

ملخص

< p class = 'jove_content'> تم تطوير مادة نموذجية ثنائية الأبعاد من فوسفات الزركونيوم الديسكوي. تم تصنيع البلورة غير العضوية ذات الهيكل الرقائقي بالطرق الحرارية المائية والارتجاع والميكروويف. عند التقشير بالجزيئات العضوية ، يمكن تحويل البلورات ذات الطبقات إلى طبقات أحادية ، وتم تشكيل مرحلة البلورات السائلة النيماتيكية بتركيز كاف من الطبقات الأحادية.

الملخص

نظرا لوفرتها في الطين الطبيعي والتطبيقات المحتملة في المواد المتقدمة ، فإن الجسيمات النانوية الديسكوية تهم العلماء والمهندسين. يعد نمو هذه البلورات النانوية متباينة الخواص من خلال طريقة كيميائية بسيطة مهمة صعبة. في هذه الدراسة ، نقوم بتصنيع أقراص نانوية ديسكوية من فوسفات الزركونيوم [Zr (HPO4) 2 · H2O] كمادة نموذجية باستخدام طرق حرارية مائية وارتجاع وميكروويف. يتم التحكم في نمو البلورات حسب المدة والوقت ودرجة الحرارة وتركيز الأنواع المتفاعلة. حداثة الطرق المعتمدة هي أنه يمكن الحصول على بلورات ديسكوية بحجم يتراوح من مائة نانومتر إلى بضعة ميكرومتر مع الحفاظ على التشتت المتعدد تحت السيطرة. يتم تحويل بلورات الديسكو ذات الطبقات إلى طبقات أحادية عن طريق التقشير باستخدام هيدروكسيد الأمونيوم رباعي (n) - بوتيل [(C4H9) 4NOH ، TBAOH]. تظهر الأقراص المقشرة أطوار بلورية سائلة متناحية، ونيماتيك. يعد حجم وتشتت القرص أمرا مهما للغاية في تحديد سلوك الطور.

المقدمة

الغرويات Discotic وفيرة في الطبيعة على هيئة الطين، asphaltene، وخلايا الدم الحمراء، والصدف. وهناك مجموعة من التطبيقات في العديد من النظم الهندسية، بما في ذلك بوليمر نانوي 1، المواد الجزيئية الحيوية، والأغشية الوظيفية 2، discotic الدراسات الكريستال السائل 3 و بيكرينغ مثبتات مستحلب 4 وضعت على أساس nanodisks الغروية discotic. Nanodisks مع التوحيد وانخفاض التشتت المتعدد هو مهم لدراسة المراحل والتحولات من البلورات السائلة. الزركونيوم الفوسفات (ZrP) هو nanodisks الاصطناعية مع بنية الطبقات امر جيد ونسبة الارتفاع السيطرة عليها (سمك أكثر من قطر). لذلك، واستكشاف التوليف مختلفة من ZrP يساعد على تأسيس فهم أساسي من نظام الكريستال السائل discotic.

تم توضيح هيكل ZrP التي كتبها كلرفيلد وStynes ​​في عام 1964 5. وبالنسبة للتركيب بلورات الطبقات من ZrP، المائية ووتعتمد أساليب ارتداد عادة 6،7. طريقة المائية يعطي سيطرة جيدة على حجم تتراوح ما بين 400 إلى 1500 نانومتر، والتشتت المتعدد في 25٪ 6، بينما يعطي طريقة ارتداد بلورات صغيرة للمرة مدة نفسه. وقد ثبت تسخين الميكروويف لتكون وسيلة واعدة لتخليق المواد النانوية 8. ومع ذلك، لا توجد وثائق تصف تركيب ZrP تستند على الطريق بمساعدة الميكروويف. وقد درس الرقابة الفعالة على حجم، نسبة الارتفاع، وآلية نمو البلورات عن طريق أسلوب الحرارية المائية بشكل منتظم من قبل مجموعتنا 6.

ZrP يمكن تقشر بسهولة في الطبقات الوحيدة في تعليق المائية، وZrP تقشر أنشئت كذلك المواد الكريستال السائل في مجموعة تشينغ 3،9-13. وحتى الآن، تقشر nanodisks ZrP مع مختلف أقطار، ويقول نسب مختلفة، وقد تم دراسة أن نخلص إلى أن أكبر ZrP كان (الخواص) -N (خيطي) انتقال أنا في انخفاض يخدعحدانية التركيز مقارنة مع أصغر ZrP 3. وقد نظرت أيضا في التشتت المتعدد 3 والملح 9 ودرجة الحرارة 10،11 آثار على تشكيل المرحلة الكريستال السائل خيطي. وعلاوة على ذلك، المراحل الأخرى، مثل مرحلة الكريستال السائل الدلالات اللفظية، وقد تم التحقيق فضلا 13،14.

في هذه المقالة، علينا أن نظهر تحقيقا تجريبيا من هذا الغروية ZrP nanodisks تعليق. وقد تم تجميع بلورات ZrP الطبقات عن طريق وسائل مختلفة، ويتم بعد ذلك تقشر في الأوساط المائية للحصول على nanodisks أحادي الطبقة. في النهاية، وتبين لنا السائلة مرحلة التحولات الكريستال التي أظهرتها هذا النظام. ومن الجوانب البارزة من هذه الأقراص هي طبيعتها متباين الخواص جدا أن سماكة إلى نسبة القطر في حدود 0،0007-0،05 اعتمادا على حجم الأقراص 3. وnanodisks أحادي الطبقة متباين للغاية إنشاء نظام نموذجي لدراسة مرحلة التحولات في تعليق من nanodisks.

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

البروتوكول

1. توليف α-ZrP عن طريق أسلوب الحرارية المائية

  1. حل 6 غرام من octahydrate zirconyl كلوريد (ZrOCl 2 · 8H 2 O) في 3.75 مل منزوع الأيونات الماء (DI) في 150 مل قارورة أسفل جولة.
  2. إضافة 48 مل من 15 M حمض الفوسفوريك (H 3 PO 4) قطرة قطرة إلى حل ZrOCl 2 أعدت في الخطوة 1.1 تليها مضيفا 8.25 مل منزوع الأيونات الماء (DI) تحت التحريك القوي.
  3. صب الناتجة تشبه الهلام الخليط في تفلون مبطنة أوعية الضغط من حجم 80 مل. وضع السفينة في الأوتوكلاف الهيدروحرارية تتكون من قذيفة الفولاذ المقاوم للصدأ وغطاء، لوحة الضغط ومن ثم تشديد جيدا.
  4. وضع الأوتوكلاف المائية في الفرن الحراري على حرارة 200 درجة مئوية لمدة 24 ساعة.
  5. بعد رد الفعل، والسماح للتعقيم المياه الحارة ليبرد 8 ساعة إلى درجة حرارة الغرفة تحت التبريد المحيطة.
  6. جمع أقراص α ZrP في أنبوب الطرد المركزي بعد التبريد باستخدام أجهزة الطرد المركزي في 2،500 x ج لمدة 10 دقيقة. جمع الجزء السائل في وعاء التخلص من النفايات منذ السائل طاف يحتوي على حمض الفوسفوريك المتفاعل الذي هو تآكل.
    1. بعد ذلك، إضافة 40 مل من الماء إلى ألفا ZrP، دوامة لمدة 1 دقيقة، وأجهزة الطرد المركزي في 2500 x ج لمدة 10 دقيقة مرة أخرى. كرر هذه الخطوة 3 مرات للتأكد من أن كل من الحمض وغسلها بعيدا.
  7. الجاف خليط لزج ZrP المياه في الفرن على حرارة 65 درجة مئوية لمدة 8 ساعات ثم تطحن باستخدام مدقة وهاون.

2. تجميع α-ZrP بواسطة الطريقة الجزر

  1. مزيج 6 غرام من ZrOCl 2 · 8H 2 O مع 50 مل من حمض 12 M الفوسفات في 150 مل قارورة أسفل جولة.
  2. الخليط المعد في الخطوة 2.1 الجزر في حمام الزيت على 94 درجة مئوية لمدة 24 ساعة.
  3. غسل المنتج بالماء DI ثلاث مرات بعد نفس البروتوكول في الخطوة 1.6، ثم تجفف في فرن عند 65 درجة مئوية لمدة 8 ساعات.
  4. طحن عينة ضخمة المجفف إلى مسحوق باستخدام مدقة وهاون، والأوراق المالية وأو في وقت لاحق استخدام.

3. توليف α-ZrP بواسطة الطريقة بمساعدة ميكروويف

  1. إضافة 1 غرام من ZrOCl 2 · 8H 2 O إلى 9 مل من محلول حمض الفوسفوريك 12 م، ويقلب الخليط الناتج جيدا في التلألؤ قارورة 20 مل.
  2. صب 5 مل من الخليط أعلاه في وعاء زجاجي 10 مل المحددة لمفاعل الميكروويف.
  3. ضبط درجة الحرارة رد فعل على 150 درجة مئوية، والحد من الضغط في 300 رطل والسماح للرد فعل أن يحدث لمدة 1 ساعة.
  4. بعد رد الفعل، والسماح للسفينة الزجاج يبرد لمدة 15 دقيقة ثم تتبع نفس الإجراءات المتبعة في خطوات 1،6-1،7 لغسيل حمض وتجفيف بلورات α ZrP.

4. تقشير من الطبقات α-ZrP إلى الطبقات الوحيدة

  1. تفريق 1 غرام من α-ZrP إلى 10 مل من الماء DI في التلألؤ قارورة 20 مل.
  2. إضافة 2.2 مل من TBAOH (40 وزن٪) إليه ودوامة لمدة 40 ثانية على الأقل. لاحظ أن نسبة المولي من عنصر الزركون: يتم الاحتفاظ TBAOH ك 1: 1.
  3. يصوتن تعليق تتركز مما أدى لمدة 1-2 ساعة ويترك لمدة 3 أيام للسماح إقحام الكامل من TBA + الأيونات وتقشير كامل للبلورات. اختياريا، تعليق تتركز يمكن أن تضعف (2 إلى 3 مرات تمييع) مع الماء للحصول على تقشير أفضل.
  4. الطرد المركزي العينات تقشر في سرعة دوران عالية (2500 x ج) لمدة 1 ساعة لإزالة بلورات تقشر جزئيا استقرت في قاع. جمع الجزء العلوي (تقشر ZrP) في وعاء آخر، وكرر الإجراء حتى يتم العثور على أي الرواسب.

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

النتائج

الشكل 1A-ج عرض الصور ووزارة شؤون المرأة من nanodisks-α ZrP تم الحصول عليها من المياه الحارة، الجزر، وأساليب بمساعدة الميكروويف، على التوالي. ولوحظ أن nanodisks-α ZrP تظهر سداسية في شكل وسماكة مختلفة تبعا لظروف التوليف والأساليب المعدة. أفادت دراسة نشرت في وقت سابق من مجموعتنا 6 تشير إلى أنه للمرة نمو البلورات 48 ساعة أو أكثر، على حافة الأقراص تصبح أكثر وضوحا. عادة، وعوائد طريقة ارتداد nanodisks أصغر حجما وأقل سداسية منتظ...

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

المناقشة

طريقة الجزر هو خيار جيد لجعل حجم أصغر من α-ZrP التي يبلغ قطرها موحد وسمك. على غرار الأسلوب المائية، ويقتصر على طريقة الجزر من الوقت اللازم لإعداد. بشكل عام، يستغرق وقتا أطول للبلورات أن تنمو.

في وقت رد الفعل الأطول المطلوب لطريقة الجزر قد يؤدي إلى nanodisks مع حجم أكبر. يتم قياس متوسط ​​حجم nanodisks تقشر التي تشتت الضوء الحيوي (DLS). في هذه الدراسة، وحجم nanodisks ZrP تقشر هو 1021.5 نانومتر مع 19.6٪ التشتت المتع...

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

الإفصاحات

لا يوجد شيء للكشف عنه.

شكر وتقدير

هذا العمل مدعوم جزئيا من قبل NSF (DMR-1006870) ووكالة ناسا (NASA-NNX13AQ60G). يقر X. Z. Wang بالدعم المقدم من مركز ماري كاي أوكونور لسلامة العمليات (MKOPSC) في جامعة تكساس إيه آند إم. كما نشكر مين شواي على توجيهها.

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

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
<قوي>المواد< القوية> كلوريد
الزركونيل أوكتاهيدراتفيشر العلمية (Acros Organics)AC20837-500098٪ +
o< / em>-Phosphoric AcidFischer ScientificA242-1&# 8805; 85٪
Tetra Butyl Ammonium HydroxideAcros Organics (Acros Organics)AC17661002540٪ بالوزن (1.5  M)
<قوي > المعدات < / قوي >
تفاعل فرنالطرد المركزيFischer Scientificفرن متساوي درجة الحرارة (درجة حرارة تصل إلى 350 & nbsp ؛ ° ج)
أجهزة الطرد المركزيالحرارية العلميةغيرمتوفرة سرعة الدوران: 100 - 4,000 دورة في الدقيقة
مفاعل الميكروويفCEM CorporationDiscover and Explorer SPTemp. ما يصل إلى 300 & nbsp ؛ ° C ، قوة تصل إلى 300 & nbsp ؛ W ، ضغط يصل إلى 30   ؛ بار
CL2

المراجع

  1. Usuki, A., Hasegawa, N., Kato, M. Polymer-clay nanocomposites. Adv Polym. 179, 135-195 (2005).
  2. Varoon, K., et al. Dispersible Exfoliated Zeolite Nanosheets and Their Application as a Selective Membrane. Science. 334, 72-75 (2011).
  3. Mejia, A. F., et al. Aspect ratio and polydispersity dependence of isotropic-nematic transition in discotic suspensions. Phys. Rev. E. 85, (1-12) 061708(2012).
  4. Bon, S. A. F., Colver, P. J. Pickering miniemulsion polymerization using Laponite clay as a stabilizer. Langmuir. 23, 8316-8322 (2007).
  5. Clearfield, A., Stynes, J. A. The preparation of crystalline zirconium phosphate and some observations on its ion exchange behaviour. J. Inorg. Nucl. Chem. 26, 117-129 (1964).
  6. Shuai, M., Mejia, A. F., Chang, Y. W., Cheng, Z. Hydrothermal synthesis of layered alpha-zirconium phosphate disks: control of aspect ratio and polydispersity for nano-architecture. Crystengcomm. 15, 1970-1977 (2013).
  7. Sun, L., Boo, W. J., Sue, H. -J., Clearfield, A. Preparation of α-zirconium phosphate nanoplatelets with wide variations in aspect ratios. New J. Chem. 31, 39-43 (2007).
  8. Gawande, M. B., Shelke, S. N., Zboril, R., Varma, R. S. Microwave-sssisted chemistry: synthetic applications for rapid assembly of nanomaterials and organics. Accounts Chem. Res. 47, 1338-1348 (2014).
  9. Chang, Y. -W., Mejia, A. F., Cheng, Z., Di, X., McKenna, G. B. Gelation via Ion Exchange in Discotic Suspensions. Phys. Rev. Lett. 108, (1-5) 247802(2012).
  10. Wang, X., et al. Thermo-sensitive discotic colloidal liquid crystals. Soft Matter. 10, 7692-7695 (2014).
  11. Li, H., Wang, X., Chen, Y., Cheng, Z. Temperature-dependent isotropic-to-nematic of charged nanoplates. Phys. Rev. E. 90, (1-4) 020504(2014).
  12. Chen, M., et al. Observation of isotropic-isotropic demixing in colloidal platelet-sphere mixtures. Soft Matter. 11 (28), 5775-5779 (2015).
  13. Sun, D., Sue, H. -J., Cheng, Z., Martinez-Raton, Y., Velasco, E. Stable smectic phase in suspensions of polydisperse colloidal platelets with identical thickness. Phys. Rev. E. 80, (1-6) 041704(2009).
  14. Wong, M., et al. Large-scale self-assembled zirconium phosphate smectic layers via a simple spray-coating process. Nat. Commun. 5, 3589(2014).
  15. Diaz, A., et al. Zirconium phosphate nano-platelets: a novel platform for drug delivery in cancer therapy. Chem. Commun. 48, 1754-1756 (2012).
  16. Kim, H. -N., Keller, S. W., Mallouk, T. E., Schmitt, J., Decher, G. Characterization of zirconium phosphate/polycation thin films grown by sequential adsorption reactions. Chem. Mater. 9, 1414-1421 (1997).

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

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

فوسفات الزركونيومالطريقة المائية الحراريةطريقة الارتجاعبمساعدة الميكروويفأقراص نانوية ديسكوتيةتقنية التقشيرهيدروكسيد رباعي بوتيل الأمونيومأطوار البلورات السائلةالمجهر الإلكتروني الماسحالمجهر الإلكتروني النافذ
التوليف وتقشير من Discotic الزركونيوم الفوسفات للحصول على بلورات الغروية السائل
تواصل معنا
أوصِ به للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

حقوق الطبع والنشر © 2026 MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.