Layer-by-Layer-Synthese und Übertragung von Freestanding konjugierte mikroporöse Polymernanomembranen
15. Dezember 2015
In dieser Arbeit beschreiben wir die Grenzflächensynthese von konjugierten mikroporösen Polymeren (CMP) auf Opfersubstraten und die Auflösung des Substrats zur Herstellung von freistehenden CMP-Nanomembranen. Darüber hinaus werden wir beschreiben, wie die fragilen Nanomembranen auf andere Substrate übertragen werden können.
Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, freistehende Nanomembranen aus konjugierten mikroporösen Polymeren zu erhalten. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen auf dem Gebiet der konjugierten mikroporösen Polymere zu beantworten, z. B. wie dünne Schichten und freistehende Membranen aus normalerweise unlöslichen Materialien hergestellt werden können. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie die Herstellung und den Transfer von gleichmäßigen Membranen mit extrem geringer und homogener Dicke ermöglicht, indem ein Schritt der Synthese auf einem Substrat durchgeführt wird.
Obwohl diese Methode für die Membrantrennung eingesetzt werden kann, kann sie auch für andere Anwendungen wie organische Elektronik oder heterogene Katalyse nützlich sein. Die Demonstration des Verfahrens wird yonisch sein, um einen Techniker aus unserem Labor zu beauftragen. Bereiten Sie das Gerät für die CMP-Herstellung vor.
Verwenden Sie einen 500-Milliliter-Rundkolben mit einem Hals und fügen Sie 300 Milliliter Tetranitrofuran oder THF hinzu. Legen Sie ein vorbereitetes Substrat, das mit alpin terminierter, selbstorganisierter Monolage oder SAM beschichtet ist, in den Probenraum und verwenden Sie einen Probenhalter, so dass das Substrat aufrecht steht. Verbinden Sie das Gerät über die Verbindungsstelle oben auf dem Rückflusskühler mit der Schleck-Leitung.
Evakuieren und belüften Sie das Gerät dreimal mit Inertgas. Lassen Sie dann THF aus dem Probenfach über den Auslass am unteren Rand des Probenfachs aus und schließen Sie den Auslass. Geben Sie anschließend einen Milliliter einer vorbereiteten TPM-azi-Lösung und 0,5 Milliliter einer Kupferkatalysatorlösung über den Schraubverschluss mit Septum in den Probenraum.
Die Lösungen werden mit einer Spritze mit einer Hohlnadel nacheinander aus dem Flankenkolben in die Reaktionsapparatur überführt. Nach einer Wartezeit von ca. 30 Minuten wird die Reaktionslösung über den Auslass am Boden des Probenraums abgelassen. Schließen Sie den Auslass und sammeln Sie das kondensierte THF zum Spülen der Probe.
Warten Sie noch etwa 30 Minuten, lassen Sie dann die Spüllösung über den Auslass am Boden des Probenbehälters ab und schließen Sie den Auslass. Geben Sie einen Milliliter der vorbereiteten TPM-Aine-Lösung und 0,5 Milliliter der Kupferkatalysatorlösung über den Schraubverschluss mit Septum in den Probenraum. Die Lösung wird nacheinander mit einer Spritze mit einer Hohlnadel von dort in die Reaktionsapparatur überführt.
Nach einer Wartezeit von ca. 30 Minuten wird die Reaktionslösung über den Auslass am Boden des Probenraums abgelassen. Schließen Sie den Auslass und sammeln Sie das kondensierte THF zum Spülen der Probe. Nachdem Sie weitere 30 Minuten gewartet haben, wiederholen Sie die sequentielle Zugabe, bis die gewünschte Anzahl von Schichten erreicht ist, eine Schicht ist etwa einen Nanometer dick.
Nehmen Sie als letzten Schritt das CMP-beschichtete Glimmersubstrat heraus. Spülen Sie es mit THF und Ethanol ab und trocknen Sie es dann unter einem Stickstoffstrahl. Stellen Sie einen Spin-Coder auf eine Rampenzeit von 10 Sekunden von null auf 4.000 U/min, eine Haltezeit von 40 Sekunden und eine Rampenzeit von 10 Sekunden von 4.000 bis null U/min ein.
Legen Sie das CMP-beschichtete MICA-Substrat auf den Spin-Coder und geben Sie A-P-M-M-A-Lösung auf den Wafer, bis er vollständig bedeckt ist. Starten Sie den Schleudercodierer, schneiden Sie mit einer Schere einen Millimeter von jeder Kante des beschichteten Glimmersubstrats ab, um die Kanten zu schneiden. Füllen Sie dann eine 150-Milliliter-Kristallisationsschale mit einer Jod-Kaliumiodid-Lösung und füllen Sie eine 100-Milliliter-Kristallisationsschale mit einer Kaliumiodid-Lösung.
Legen Sie das PMMA-beschichtete CMP-Gold auf das Glimmersubstrat, wobei der Glimmer in Kontakt mit der Lösung auf der Jod-Kaliumiodid-Lösung liegt. Achten Sie darauf, dass es nicht einsinkt. Warten Sie mindestens fünf Minuten und übertragen Sie dann das PMMA-beschichtete CMP Gold MICA-Substrat von der Jod-Kaliumiodid-Lösung auf die Oberseite der Kaliumiodidlösung, wobei MICA mit der Lösung in Kontakt kommt.
Achten Sie auch hier darauf, dass es nicht einsinkt und warten Sie mindestens fünf Minuten. Füllen Sie anschließend eine 250 Milliliter Kristallisationsschale mit destilliertem Wasser. Entfernen Sie den P-M-M-A-C-M-P-Goldfilm von der MICA, indem Sie das Substrat von einer Kante aus leicht in destilliertes Wasser tauchen.
Halten Sie das Substrat so, dass die MICA auf die Wassertauchbeschichtung zeigt, und beschichten Sie das P-M-M-A-C-M-P-Gold auf dem Siliziumwafer, indem Sie sich der schwimmenden P-M-M-A-C-M-P-Goldmembran nähern. Ziehen Sie den Siliziumwafer langsam mit dem Wafer heraus, bis er den Rand der Membran berührt. Sobald der Siliziumwafer in Kontakt mit der P-M-M-A-C-M-P-Goldmembran ist, entfernen Sie den P-M-M-A-C-M-P-Goldfilm von der Siliziumwafer, indem Sie das Substrat von einer Kante aus leicht in die Jod-Kaliumiodid-Lösung eintauchen und 15 Minuten warten, nachdem das Gold vollständig geätzt wurde.
Übertragen Sie die P-M-M-A-C-M-P-Membran über den Siliziumwafer auf Wasser und warten Sie weitere 15 Minuten. Wiederholen Sie diesen Schritt dreimal, um die Membran mit Wasser zu waschen. Übertragen Sie dann die gewaschene P-M-M-A-C-M-P-Membran auf einen goldbeschichteten Siliziumwafer.
Lassen Sie das P-M-M-A-C-M-P-Substrat wie zuvor trocknen und mindestens zwei Stunden lang lüften. Um das PMMA aufzulösen. Legen Sie das P-M-M-A-C-M-P-Substrat in Aceton und warten Sie 30 Minuten.
Nehmen Sie das Substrat heraus und spülen Sie es mit Aceton ab. Nachdem Sie diesen Schritt dreimal wiederholt haben, lassen Sie das CMP-Substrat mindestens zwei Stunden trocknen. Die Membranen zeichnen sich durch Infrarotreflexion, Absorptionsspektroskopie oder ir aus.
RAS ist ein IRRA-Spektrum von einer CMP-Membran, das auf einen Goldwafer übertragen wird. Typische Banden aus den Schwingungen des aromatischen Rückgrats liegen bei 1.605, 1.515 und 1.412 inversen Zentimetern. Bei Rest-, Azid- oder Alkingruppen können charakteristische Banden bei 2, 125 und 1, 227 inverse Zentimeter beobachtet werden.
Hier ist eine Rasterelektronenmikroskopie-Aufnahme zu sehen. Die freistehende Membran ist gut sichtbar Einmal gemeistert, kann diese Transfertechnik in weniger als einer Stunde durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird. Wenn Sie dieses Verfahren versuchen, ist es wichtig, daran zu denken, die Kanten des Mikrosubstrats nach der Schleuderbeschichtung zu schneiden.
Andere Methoden wie synthetische Modifikation oder Photostrukturierung können gebildet werden, um die Zweckchemie der Nan-Membran für die gewünschten Anwendungen nach ihrer Entwicklung zu optimieren. Diese Technik kann Forschern auf dem Gebiet der kongregierten Mikropros-Polymere helfen, die vielversprechenden Bulk-Eigenschaften in reale Geräte zu übertragen.
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Übersicht
Diese Studie stellt eine Methode zur Synthese freitragender Nanomembranen konjugierter mikroporöser Polymere (CMP) unter Verwendung opfernder Substrate vor. Die Technik ermöglicht die Herstellung gleichmäßiger Membranen mit geringer Dicke, die auf verschiedene Substrate übertragen werden können, um vielfältige Anwendungen zu ermöglichen.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Materialwissenschaft
- Polymere Chemie
- Nanotechnologie
Hintergrund
- Konjugierte mikroporöse Polymere sind typischerweise unlöslich.
- Die Herstellung dünner Filme und freistehender Membranen ist anspruchsvoll.
- Bestehende Methoden führen möglicherweise nicht zu einer einheitlichen Membrandicke.
- Zu den Anwendungen zählen die Membrantrennung und die organische Elektronik.
Zweck der Studie
- Entwicklung einer zuverlässigen Methode zur Herstellung von CMP-Nanomembranen.
- Untersuchung der Übertragbarkeit dieser Membranen auf andere Substrate.
- Bearbeitung zentraler Herausforderungen bei der Herstellung dünner Filme.
Verwendete Methoden
- Interfaciale Synthese von CMP auf opfern Substraten.
- Auflösung des Substrats zur Gewinnung freitragender Membranen.
- Übertragung empfindlicher Nanomembranen auf verschiedene Substrate.
- Charakterisierung der Membraneigenschaften für mögliche Anwendungen.
Hauptergebnisse
- Erfolgreiche Synthese freistehender CMP-Nanomembranen.
- Nachgewiesene Übertragbarkeit auf andere Substrate.
- Gleichmäßige Membrandicke durch die Methode erreicht.
- Mögliche Anwendungen in der Membrantrennung und der organischen Elektronik.
Schlussfolgerungen
- Die Methode bietet einen neuen Ansatz zur Herstellung von CMP-Nanomembranen.
- Sie eröffnet neue Wege für die weitere Erforschung von Polymeranwendungen.
- Zukünftige Studien könnten zusätzliche Anwendungen in der Katalyse untersuchen.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Diese Methode ermöglicht die Synthese und Übertragung freistehender konjugierter mikroporöser Polymere (CMP) in Form von Nanomembranen und löst damit eine zentrale Herausforderung bei der Verarbeitung unlöslicher polymerer Materialien für fortschrittliche Anwendungen. Durch die Herstellung homogener, ultradünner Membranen mit kontrollierter Dicke und Zusammensetzung unterstützt das Verfahren die Übertragung der Eigenschaften von makroskopischen CMP-Materialien auf funktionale nanoskalige Systeme. Diese Fähigkeit ist von Bedeutung für Entdeckungsprozesse in frühen Entwicklungsstadien, bei denen eine reproduzierbare und skalierbare Herstellung funktioneller Dünnfilme für die nachgeschaltete Bewertung in Sensoren, Katalyse oder elektronischen Bauteilen erforderlich ist.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Herstellung einheitlicher CMP-Nanomembranen zur Untersuchung von Struktur-Funktions-Beziehungen in porösen, konjugierten Polymeren.
- Praktischer Wert: Bietet einen reproduzierbaren, schichtweisen Syntheseansatz zur Herstellung von Membranen mit präziser Dickenkontrolle (~1 nm pro Schicht).
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Erzeugt freistehende Membranen, die als stabile Plattformen zur Immobilisierung von Biomolekülen oder katalytischen Stellen in Biosensor- oder enzymbasierten Assays geeignet sind.
- Operativer Wert: Erleichtert die Übertragung auf verschiedene Substrate (z. B. Gold, Silizium) und ermöglicht die Integration in bestehende Detektions- oder Auslesesysteme.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Unterstützt die Bewertung von CMP-Membranen in der heterogenen Katalyse oder organischer Elektronik, was die Entwicklung von biomarkerbasierten Schnittstellen oder diagnostischen Geräten beeinflussen kann.
- Operativer Wert: Ermöglicht die Übertragung und Stabilisierung empfindlicher Nanomembranen mittels opfernder Beschichtungen und verbessert so die Handhabung und Integration in Bauelemente.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode passt in Workflows der frühen Entdeckung bis hin zur präklinischen Übertragung, indem sie einen skalierbaren Weg zur Herstellung funktionaler Polymermembranen bietet, die in analytische oder Sensorsysteme integriert werden können.
- Entdeckungsbiochemie: Unterstützt die Hypothesenprüfung hinsichtlich der Porenzugänglichkeit und der funktionellen konjugierten Struktur in CMPs durch gezielte Filme synthese.
- Screening: Ermöglicht die Herstellung stabiler, homogener Membranen für reproduzierbare Untersuchungen zur Wechselwirkung von Liganden oder Analyten in Assayformaten.
- Analytik: Erzeugt Membranen, die mittels IRRAS und REM charakterisierbar sind und quantitative Aussagen zu Dicke, Zusammensetzung und struktureller Integrität liefern.
- Translationale Forschung: Zeigt die Übertragbarkeit auf gerätekompatible Substrate, wodurch die kontinuierliche Entwicklung von der Materialentdeckung bis zur Prototypenbewertung unterstützt wird.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Etabliert einen modularen, schichtweisen Herstellungsprozess, der auf verschiedene CMP-Chemien und Substrattypen anwendbar ist und sich für den wiederholten Einsatz in Materialscreening-Kampagnen eignet.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die systematische Untersuchung der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von CMPs durch gezielte Kontrolle von Dicke und Zusammensetzung.
- Operationaler Wert: Bietet eine reproduzierbare, skalierbare Synthese und Übertragung freistehender Membranen mit minimaler Variabilität von Charge zu Charge.
- Strategischer Wert: Verringert den Materialverlust, indem die Eignung von CMPs für die Integration in Bauelemente frühzeitig bewertet werden kann.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt die risikoadjustierte Priorisierung von CMP-Kandidaten basierend auf ihrer Membranbildungs-Fähigkeit und funktionellen Leistung.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in der Grenzflächensynthese, der schichtweisen Abscheidung und den Techniken zum Umgang mit Membranen.
- Hängt von spezieller Apparatur ab, einschließlich Schlenk-Leitung, Probenträger und Spin-Beschichtungsanlage zur Auftragung der Opferschicht.
- Setzt standardisierte Protokolle für die Funktionalisierung des Substrats (z. B. alkanthiolbasierte SAMs) und die Beschichtung mit Opferschicht (z. B. PMMA) voraus, um die Integrität der Membran sicherzustellen.
- Beinhaltet eine sorgfältige Optimierung der Anzahl an Schichten und der Spülschritte, um die gewünschte Dicke zu erreichen und nicht umgesetzte Spezies zu entfernen.
- Ist durch den Bedarf an äußerst sauberem Umgang begrenzt, um Risse oder Kontamination der Nanomembranen während der Transfers- und Waschschritte zu vermeiden.
