إعداد Nanosheets الكربون في درجة حرارة الغرفة

يسمح الإجراء المقدم بالتحضير الكيميائي الرطب بدرجة حرارة منخفضة لصفائح الكربون النانوية من خلال التجميع الذاتي للجزيئات البرمائية الجديدة كسلائف تفاعلية وكربنتها اللاحقة في درجة حرارة الغرفة. عادة ما يتطلب تحضير الهياكل النانوية الكربونية درجات حرارة أو ضغوطا عالية ويصعب التحكم في التشكل والوظيفة الكيميائية للكربون المحضر في ظل هذه الظروف. يتطلب النهج المطور فقط الأشعة فوق البنفسجية في درجة حرارة الغرفة لتزويد صفائح الكربون النانوية بأبعاد محددة جزيئيا أقل من نانومترين وأبعاد جانبية في حدود السنتيمترات.

لتحقيق ذلك ، قمنا بإعداد جزيئات تفاعلية وغنية بالكربون من الأحماض الدهنية البرمائية النموذجية ومصممة للتجميع الذاتي في واجهة الهواء والماء في طبقات أحادية. تتميز الطبقة الأحادية بمجموعة كثيفة من شقوق الهكسان وينتج عن كربنة الأغشية مادة لا يتم الحصول عليها إلا في درجات حرارة تتجاوز 800 درجة مئوية. للبدء ، قم بإذابة 208 ملليغرام من الهكسان المحمي في 15 مل من ثنائي كلورو ميثان في قارورة شلينك سعة 100 مليلتر تحت جو خامل.

ثم أضف 10 مل من الميثانول. احم القارورة من الضوء بورق الألمنيوم وأضف ميثانولات الصوديوم. بعد تقليب الخليط الناتج لمدة 30 دقيقة في درجة حرارة الغرفة ، قم بتخفيفه ب 15 مل من ثنائي كلورو ميثان وانقله إلى قمع منفصل.

ثم يغسل مرة واحدة بمحلول كلوريد الهيدروجين المائي المولي ، ومرة واحدة بمحلول كلوريد الصوديوم المائي المشبع. انقل المرحلة العضوية إلى قارورة إرلينماير وجففها أكثر من 30 جراما من كبريتات الصوديوم. بعد تصفية المرحلة العضوية ، قم بتركيز المرشح في الفراغ.

تنقية المنتج الخام عن طريق كروماتوغرافيا العمود لعزل البرمائيات الهكساني كمحلول أصفر. قم بتخزين ناتج هذا التفاعل كمحلول مخفف في ثنائي كلورو ميثان لتقليل أي تحلل. انشر كمية 100 ميكرولتر من محلول المخزون المخفف للهكسان البرمائي على الماء عالي النقاء في حوض Langmuir الذي يشتمل على إعداد التحليل الطيفي لامتصاص انعكاس الأشعة تحت الحمراء.

اترك حوض Langmuir ليتوازن لمدة 15 دقيقة ، مما يسمح للمذيب بالتبخر. قم بضغط الطبقة إلى ضغط سطحي يبلغ مللي نيوتن لكل متر بمعدل ضغط ثابت يبلغ خمسة أنجستروم لكل جزيء ودقيقة عن طريق تقليل مساحة سطح حوض لانغموير مع الحواجز. راقب ضغط السطح عن طريق التوازن الدقيق لضغط السطح باستخدام لوحة Wilhelmy من ورق الترشيح واضبط حواجز حوض Langmuir بحيث يتم الحفاظ على ضغط سطح قدره مللي نيوتن لكل متر.

سجل طيف الأشعة تحت الحمراء بضوء مستقطب p بزاوية سقوط 40 درجة. قم بضغط الطبقة بمعدل ضغط ثابت يبلغ خمسة أنجستروم لكل جزيء ودقيقة عن طريق تقليل مساحة سطح حوض لانغموير بالحواجز بحيث يتم الحصول على ضغوط سطحية تبلغ ثلاثة ، ثم خمسة ، وأخيرا ، ثمانية مللي نيوتن لكل متر كما هو موضح في التوازن الدقيق لضغط السطح. سجل الأطياف بالضوء المستقطب p بزاوية سقوط 40 درجة لكل من هذه الضغوط السطحية.

قم بإزالة الصندوق الذي يحيط بحوض Langmuir بعناية. قم بتركيب مصباح الأشعة فوق البنفسجية على حامل دعم وضعه على بعد حوالي 50 سم من سطح الماء ، مع التأكد من تغطية الواجهة بمخروط ضوء الأشعة فوق البنفسجية. بعد التأكد من أن الطبقة الأحادية لا تزال مضغوطة عند ضغط سطحي يبلغ ثمانية مللي نيوتن لكل متر ، كما تم قياسه بواسطة التوازن الدقيق لضغط السطح ، قم بتعيين حواجز حوض لانغموير بحيث يتم تثبيتها في الموضع الحالي.

قم بتعريض واجهة الهواء والماء لضوء الأشعة فوق البنفسجية. مراقبة وتسجيل تغير ضغط السطح بواسطة التوازن الدقيق لضغط السطح المجهز بورق ترشيح لوحة Wilhelmy طوال فترة التشعيع. أوقف التشعيع عن طريق إطفاء المصباح بعد 40 دقيقة من التشعيع.

بإحاطة حوض Langmuir في الصندوق المغلق لتجنب تلوث الواجهة قبل السماح للإعداد بالتوازن لمدة 30 دقيقة. بعد ذلك ، قم بتعيين حواجز حوض لانغموير للحفاظ على ضغط السطح الذي يلاحظه التوازن الدقيق لضغط السطح بعد التشعيع. سجل طيف الأشعة تحت الحمراء بضوء مستقطب p بزاوية سقوط 40 درجة.

قم بتثبيت ركيزتين من الياقوت الذي تم تنظيفه مسبقا مع زوجين من الملقط متصلين بذراع ميكانيكي. اغمر الركائز في الطور الفرعي ، ونظف واجهة الهواء والماء جيدا قبل الانتشار. انشر بعناية 100 ميكرولتر من محلول المخزون المخفف للبرمائيات الهكساني في كلوروفورم DCM على الماء عالي النقاء في حوض لانغموير.

اترك حوض Langmuir ليتوازن لمدة 15 دقيقة ، مما يسمح للمذيب بالتبخر. قم بضغط الطبقة إلى ضغط سطحي يبلغ ثمانية مللي نت وون لكل متر بمعدل ضغط ثابت يبلغ خمسة أنجستروم لكل جزيء ودقيقة عن طريق تقليل مساحة سطح حوض لانغموير بالحواجز. راقب ضغط السطح عن طريق التوازن الدقيق لضغط السطح المجهز بلوحة Wilhelmy من ورق الترشيح واضبط حواجز حوض Langmuir بحيث يتم الحفاظ على ضغط سطح يبلغ ثمانية مللي نيوتن لكل متر.

لنقل الطبقة الأحادية غير المتفحمة إلى ركيزة من الياقوت ، حافظ على الطبقة الأحادية عند ضغط سطح يبلغ ثمانية مللي نيوتن لكل متر واسحب الذراع الميكانيكي لأعلى بسرعة 1.2 ملم في الدقيقة حتى تتم إزالة الركيزة الأولى تماما من الطور الفرعي. يجب أن تظل الركيزة الثانية مغمورة في المرحلة الفرعية. استرجع بعناية الركيزة الأولى التي تحمل الطبقة غير المتفحمة من زوج الملقط ، وقم بتخزينها تحت الحماية من الضوء ، واستخدمها للتطبيق المقصود عند الحاجة.

قم بتركيب مصباح الأشعة فوق البنفسجية على حامل دعم وضعه على بعد حوالي 50 سم من سطح الماء مع التأكد من تغطية الواجهة بمخروط ضوء الأشعة فوق البنفسجية. تأكد من أن الطبقة الأحادية لا تزال مضغوطة عند ضغط سطح يبلغ ثمانية مللي نيوتن لكل متر ، وقم بإصلاح موضع الحواجز. قم بتعريض واجهة الهواء والماء للأشعة فوق البنفسجية أثناء مراقبة وتسجيل التغير في ضغط السطح كما تم قياسه بواسطة التوازن الدقيق لضغط السطح طوال فترة التشعيع.

بعد ما مجموعه 40 دقيقة من التشعيع ، أوقف التشعيع عن طريق إيقاف تشغيل المصباح. من أجل نقل الفيلم المتفحم إلى ركيزة من الياقوت ، قم بتعيين حواجز حوض لانغموير بحيث يتم الحفاظ على ضغط السطح المقاس بعد التشعيع. مع الحفاظ على ضغط السطح ثابتا ، اسحب الذراع الميكانيكي الذي يحمل الركيزة من الواجهة بسرعة 1.2 مليلتر في الدقيقة حتى تتم إزالة الركيزة تماما من الطور الفرعي.

استرجع بعناية الركيزة التي تحمل الطبقة المتفحمة من زوج الملقط. يظهر الرنين المغناطيسي النووي Carbon-13 ، أو طيف الرنين المغناطيسي النووي ، للبرمائية الهكساني ، إشارات لجميع ذرات الكربون المهجنة البالغ عددها 12 sp. يؤدي ضغط طبقة من البرمائيات الهكسانية عند السطح البيني للهواء والماء إلى ظهور منطقة ضغط سطحي متساوية الحرارة تظهر مرحلتين ، مع منحدر حاد مفصول بهضبة مائلة بشدة.

تظهر هنا أطياف IRRA لفيلم البرمائية الهكساني المضغوط إلى ضغوط سطحية تتراوح بين مللي نيوتن لكل متر وثمانية مللي نيوتن لكل متر. تظهر مقارنة أطياف IRRA لفيلم من البرمائيات التفاعلية الغنية بالكربون قبل الأشعة فوق البنفسجية ، المعروضة باللون الأزرق ، وبعد الأشعة فوق البنفسجية ، المعروضة باللون الأحمر ، أن نطاقات الهكساسين تختفي تماما. تظهر هنا تجارب الفحص المجهري بزاوية بروستر مع فيلم من البرمائيات في واجهة الهواء والماء قبل وبعد الكربنة بواسطة الأشعة فوق البنفسجية.

بعد الأشعة فوق البنفسجية ، لوحظ تغيير واضح في نسيج الفيلم ويمكن تمزق الأغشية المتفحمة ، مما يترك جزرا كبيرة تطفو على واجهة الهواء والماء. تظهر صورة المجهرية الإلكترونية الماسحة لصفيحة نانوية كربونية بعد نقل Langmuir-Schaefer إلى شبكة Holey Carbon TEM ، التي تم التقاطها على حافة صفائح الكربون النانوية ، بعض اللف والتجاعيد. بمجرد إتقانها ، يمكن استخدام هذه التقنية لإعداد صفائح نانوية كربونية بسمك أقل من نانومترين ، وأبعاد جانبية ممتدة محدودة فقط بحجم حوض لانغموير المتاح.

أثناء محاولة هذا الإجراء ، من المهم تنظيف واجهة الهواء والماء بعناية ، ومعايرة الإعداد التجريبي قبل أي تجارب. ولا تنس أن البرميات الهكساني شديدة التفاعل ، ويجب اتخاذ الاحتياطات ، مثل حمايتها من الضوء ، لتجنب الكربنة المبكرة. بعد تطويرها ، مهدت هذه التقنية الطريق للباحثين في مجالات الطلاء السطحي أو التعبئة والتغليف لاستكشاف صفائح الكربون النانوية كطبقات واقية في المركبات مع مواد أخرى.