Se desarrolló un modelo bidimensional de fosfato de circonio discótico. El cristal inorgánico con estructura laminar se sintetizó por métodos hidrotermales, de reflujo y asistidos por microondas. En la exfoliación con moléculas orgánicas, los cristales en capas se pueden convertir en monocapas, y se formó una fase de cristal líquido nemático con una concentración suficiente de monocapas.
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Artículo de método
Síntesis y exfoliación de Discotic circonio fosfatos para obtener cristales líquidos coloidal
En este artículo
Resumen
Resumen
Debido a su abundancia en arcilla natural y sus posibles aplicaciones en materiales avanzados, las nanopartículas discóticas son de interés para científicos e ingenieros. El crecimiento de estos nanocristales anisotrópicos a través de un método químico simple es una tarea desafiante. En este estudio, fabricamos nanodiscos discóticos de fosfato de circonio [Zr(HPO4)2·H2O] como material modelo utilizando métodos hidrotermales, de reflujo y asistidos por microondas. El crecimiento de los cristales está controlado por la duración, el tiempo, la temperatura y la concentración de las especies que reaccionan. La novedad de los métodos adoptados es que se pueden obtener cristales discóticos de tamaño que oscila entre cien nanómetros y unos pocos micrómetros, manteniendo la polidispersidad bajo control. Los cristales discóticos estratificados se convierten en monocapas mediante exfoliación con hidróxido de tetra-(n)-butil amonio [(C4H9)4NOH, TBAOH]. Los discos exfoliados muestran fases isotrópicas y nemáticas de cristal líquido. El tamaño y la polidispersidad de las suspensiones de disco son muy importantes para decidir su comportamiento de fase.
Introducción
coloides Discotic son naturalmente abundante en forma de arcilla, asfaltenos, las células rojas de la sangre, y nácar. Una gama de aplicaciones en muchos sistemas de ingeniería, incluyendo materiales nanocompuestos poliméricos, materiales biomiméticos 1, 2 membranas funcionales, estudios de cristal líquido discotic 3 y estabilizadores de emulsión de Pickering 4 se desarrolla en base a nanodiscos coloidales discotic. Nanodiscos con uniformidad y baja polidispersidad es importante para el estudio de las fases y transformaciones de los cristales líquidos. fosfato de zirconio (ZRP) es un nanodiscos sintéticos con estructura en capas bien ordenada y relación de aspecto controlable (espesor de más de diámetro). Por lo tanto, la exploración de las diferentes síntesis de ZRP ayuda a establecer un entendimiento fundamental de sistema de cristal líquido discotic.
La estructura de ZRP fue aclarada por Clearfield y Stynes en 1964 5. Para la síntesis de cristales laminares de ZRP, hidrotérmica ymétodos de reflujo se adoptan comúnmente 6,7. Método hidrotérmico da un buen control sobre el tamaño que varía de 400 a 1500 nm y la polidispersidad dentro de 25% 6, mientras que el método de reflujo da cristales más pequeños para el mismo tiempo de duración. El calentamiento por microondas se ha demostrado ser un método prometedor para la síntesis de nanomateriales 8. Sin embargo, no existen documentos que describen la síntesis de ZRP basado en ruta asistida por microondas. El control efectivo sobre el tamaño, relación de aspecto, y el mecanismo del crecimiento de cristales por el método hidrotérmico se estudió sistemáticamente por nuestro grupo 6.
ZRP puede ser exfoliada fácilmente en monocapas en suspensiones acuosas, y la ZRP exfoliada han sido bien establecido como materiales de cristal líquido en el grupo 3,9-13 de Cheng. Hasta el momento, nanodiscos ZRP exfoliadas con diferentes diámetros, según diferentes relaciones de aspecto, se han estudiado a la conclusión de que la mayor ZRP tenía el (isotrópico) -N (nemático) de transición que en Con menorcentrado en comparación con menor ZRP 3. También se han considerado las polidispersidad 3, 9 y sal de temperatura 10,11 efectos sobre la formación de la fase de cristal líquido nemático. Por otra parte, otras fases, como fase de cristal líquido Sematic, se han investigado, así 13,14.
En este artículo, demostramos realización experimental de un nanodiscos suspensión ZRP tales coloidal. cristales ZRP capas se sintetizan a través de diferentes métodos, y luego son exfoliadas en medios acuosos para obtener nanodiscos monocapa. Al final, nos muestran las transiciones de fase de cristal líquido exhibidos por este sistema. Un aspecto notable de estos discos es su naturaleza altamente anisotrópico que la relación de espesor a diámetro está en el intervalo de 0,0007 hasta 0,05, dependiendo del tamaño de los discos 3. Los nanodiscos monocapa altamente anisotrópicos establecen un sistema modelo para estudiar las transiciones de fase en las suspensiones de nanodiscos.
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Protocolo
1. Síntesis de α-ZRP Usando Método Hidrotermal
- Disolver 6 g de cloruro de zirconilo octahydrate (ZrOCl2 · 8H 2 O) en 3,75 ml de agua desionizada (DI) en unos 150 ml matraz de fondo redondo.
- Añadir 48 ml de ácido fosfórico 15 M (H 3 PO 4) gota a gota a la solución de ZrOCl 2 preparado en la etapa 1.1, seguido de la adición de 8,25 ml de agua desionizada (DI) con agitación vigorosa.
- Verter la mezcla resultante similar a un gel en el recipiente de presión revestido de teflón de volumen de 80 ml. Coloque el recipiente en el autoclave hidrotermal compuesto por carcasa de acero inoxidable y la tapa, placa de presión y apretar bien.
- Coloque el autoclave hidrotermal en el horno de convección a 200 ° C durante 24 horas.
- Después de la reacción, permite que el autoclave hidrotermal se enfríe 8 hr a temperatura ambiente bajo enfriamiento a temperatura ambiente.
- Recoge los discos a-ZRP en tubo de centrífuga después del enfriamiento usando centrifugar a 2,500 xg durante 10 min. Recoger porción líquida en un recipiente de eliminación de residuos ya que el líquido sobrenadante contiene ácido fosfórico sin reaccionar que es corrosivo.
- Después, añadir 40 ml de agua a a-ZRP, vórtice durante 1 min y se centrifuga a 2500 xg durante 10 min más. Repita este paso 3 veces para asegurar que todo el ácido se elimina por lavado.
- Seca mezcla pegajosa ZRP de agua en el horno a 65 ° C durante 8 horas y después se muele utilizando un mortero.
2. Síntesis de α-ZRP por reflujo Método
- Mezclar 6 g de ZrOCl 2 · 8H 2 O con 50 ml de ácido 12 fosfato M en un 150 ml matraz de fondo redondo.
- La mezcla preparada en la etapa 2.1 es reflujo en baño de aceite a 94 ° C durante 24 horas.
- Se lava el producto con agua DI tres veces siguientes mismo protocolo en el paso 1.6, y luego se secó en el horno a 65 ° C durante 8 hr.
- Triturar la muestra voluminosa seco en polvo usando un mortero, y la población Fo después de usar.
3. Síntesis de α-ZRP por asistida por microondas Método
- Añadir 1 g de ZrOCl 2 · 8H 2 O en 9 ml de solución de ácido 12 M fosfórico, y se agita la mezcla resultante bien en un vial de centelleo de 20 ml.
- Verter 5 ml de la mezcla anterior en un recipiente de vidrio de 10 ml especificado para reactor de microondas.
- Ajuste la temperatura de reacción a 150 ° C, límite de presión a 300 psi y dejar que la reacción ocurra durante 1 hora.
- Después de la reacción, que el recipiente de vidrio se enfríe durante unos 15 minutos y luego se sigue el mismo procedimiento que en los pasos 1.6-1.7 para el lavado ácido y secado de los cristales de alfa-ZRP.
4. La exfoliación de Capas α-ZRP en monocapas
- Dispersar 1 g de α-ZRP en 10 ml de agua DI en un vial de centelleo de 20 ml.
- Añadir 2,2 ml de TBAOH (40 wt.%) A la misma y agitar durante al menos 40 seg. Tenga en cuenta que la relación molar de Zr: TBAOH se mantiene como 1: 1.
- Sonicar la suspensión resultante se concentró durante 1-2 horas y se deja durante 3 días para permitir la completa intercalación de TBA + iones y exfoliación completa de los cristales. Opcionalmente, la suspensión concentrada se puede diluir (2 a 3 veces de dilución) con agua para obtener una mejor exfoliación.
- Centrifugar las muestras exfoliadas a la velocidad de rotación alta (2.500 x g) durante 1 hora para eliminar los cristales parcialmente exfoliadas asentado en la parte inferior. Recoge la parte superior (exfoliada ZRP) en otro recipiente, y repetir el procedimiento hasta que no se encuentra ningún sedimento.
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Resultados
Figura 1a-c muestran imágenes de SEM de nanodiscos alfa-ZRP obtenidos a partir hidrotermal, reflujo, y los métodos asistidas por microondas, respectivamente. Se observó que nanodiscos a-ZRP muestran de forma hexagonal y el grosor diferente dependiendo de las condiciones de síntesis y métodos de preparados. Un estudio informó anteriormente de nuestro grupo de 6 sugiere que por el momento el crecimiento de cristales de 48 horas o más arriba, el borde de los disc...
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Discusión
El método de reflujo es una buena opción para la fabricación de un tamaño más pequeño de α-ZRP con un diámetro uniforme y espesor. Similar al método hidrotérmico, el método de reflujo está limitada por el tiempo de preparación. En general, se necesita más tiempo para que los cristales crezcan.
El tiempo de reacción más largo necesario para el método de reflujo puede resultar en nanodiscos con un tamaño más grande. El tamaño medio de nanodiscos exfoliadas se mide mediante dispersión de luz di...
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Divulgaciones
No hay nada que revelar.
Agradecimientos
Este trabajo cuenta con el apoyo parcial de NSF (DMR-1006870) y NASA (NASA-NNX13AQ60G). X. Z. Wang agradece el apoyo del Centro de Seguridad de Procesos Mary Kay O'Connor (MKOPSC) de la Universidad de Texas A&M. También agradecemos a Min Shuai por su orientación.
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Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Material | |||
| Circonilo Octahidratado | Fischer Scientific (Acros Organics) | AC20837-5000 | 98% + |
| o-Ácido fosfórico | Fischer Scientific | A242-1 | ≥ 85% |
| Hidróxido de tetra butilo y amonio | Acros Organics (Acros Organics) | AC176610025 | 40% en peso (1.5 M) |
| EquipoHorno de | |||
| reacción | Fischer Scientific | CL2 | Horno de isotemperatura (temperatura de hasta 350 ° C) |
| Centrífuga | Thermo Scientific | No disponible | Velocidad de rotación: 100 - 4.000 rpm |
| Reactor de microondas | CEM Corporation | Discover y Explorer SP | Temp. hasta 300 ° C, potencia de hasta 300 W, presión de hasta 30 barra |
Referencias
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Reimpresiones y permisos
