Préparation de nanofeuillets carbone à température ambiante

Nanostructures de carbone en deux dimensions attirent beaucoup d' attention en raison des propriétés électriques, thermiques, ainsi que mécaniques exceptionnelles signalées ^1-5. Ces matériaux sont censés favoriser le progrès technique dans les domaines des composites polymères ^6, des dispositifs de stockage d'énergie ^7, et l' électronique moléculaire ^8-10. En dépit des efforts intensifs de recherche au cours des dernières années, toutefois, l' accès à de grandes quantités de nanomatériaux de carbone bien définies est encore limitée, ce qui nuit à leur mise en œuvre à grande échelle dans des applications technologiques ^11,12.

nanomatériaux de carbone sont accessibles par haut vers le bas ou les approches bottom-up. Les approches habituelles telles que les techniques d'exfoliation ¹³ ou des procédés de haute énergie sur les surfaces ^14-16 offrent la possibilité d'obtenir des matériaux avec un haut degré de perfection structurelle et de très bonnes performances. Cependant, l'isolement et la purification de the produits reste difficile, et la production à grande échelle de matériaux nanostructurés définis est difficile ^12. D'autre part, les approches bottom-up peuvent être employés qui reposent sur ​​l'utilisation de précurseurs moléculaires, leur disposition dans les structures définies, et un carbonisation subséquente qui donne les nanostructures de carbone ^17-23. Dans ce cas, les précurseurs eux-mêmes sont plus complexes et leur préparation nécessite souvent des étapes de synthèse multiples. Ces approches peuvent offrir un degré élevé de contrôle sur les propriétés physiques et chimiques des matériaux résultants et peuvent fournir un accès direct à des matériaux adaptés. Toutefois, la conversion des précurseurs en les nanomatériaux de carbone est typiquement réalisée à des températures supérieures à 800 ° C, ce qui conduit à une perte de la fonctionnalisation chimique incorporé ^24-27.

Les limitations mentionnées ci-dessus ont été abordées dans notre groupe en employant oligoynes hautement réactifs que can convertis en des nanomatériaux de carbone à température ambiante , ^28,29. En particulier, amphiphiles comprenant un groupe de tête hydrophile et un segment de hexayne sont accessibles par une séquence de bromation et Negishi réactions croisées de couplage au palladium médiée ^30,31. La conversion de ces molécules précurseurs dans la structure cible se produit au niveau ou en dessous de la température ambiante lors d'une irradiation avec une lumière UV. La forte réactivité des amphiphiles oligoyne rend l'utilisation de modèles souples, tels que l'interface air-eau ou d'interfaces liquide-liquide, est possible. Dans les enquêtes précédentes, nous avons préparé avec succès des vésicules à partir de solutions de amphiphiles hexayne glycosidiques ^28. La reticulation de ces vésicules a été réalisée dans des conditions douces par irradiation UV des échantillons. De plus, nous avons récemment préparé monocouches auto-assemblées à partir de hexaynes avec un groupe de tête de carboxylate de méthyle et une queue d'alkyle hydrophobe à l'interface air-eau dans une cuvette de Langmuir. Le pack denseed précurseurs moléculaires ont ensuite été converties en nanofeuilles carrément de carbone autoportants à la température ambiante par irradiation UV. Dans les approches connexes précurseurs moléculaires définis ont récemment été utilisés pour la préparation de deux dimensions nanofeuillets étendues à l'interface air-eau ^32-38.

Le but de ce travail est de donner un aperçu pratique concise de la synthèse et la fabrication des mesures globales qui permettent la préparation de nanofeuillets de carbone de amphiphiles hexayne. L'accent est mis sur l'approche expérimentale et des questions de préparation.

Attention: Assurez-vous de consulter S'il vous plaît les fiches de données de sécurité des documents pertinents (MSDS) avant l'utilisation de tous les composés chimiques. Certains des produits chimiques utilisés dans ces synthèses sont extrêmement toxiques et cancérigènes. nanomatériaux préparés peuvent avoir des risques supplémentaires par rapport à leur contrepartie en vrac. Il est impératif d'utiliser toutes les pratiques de sécurité appropriées lors de l'exécution des réactions (hotte aspirante) et équipement de protection individuelle (lunettes de sécurité, gants, blouse de laboratoire, pantalons pleine longueur, des chaussures fermées). Sauf indication contraire les procédures suivantes impliquent des techniques de Schlenk standards ^39.

1. Préparation du précurseur moléculaire ^29,31

1. Synthèse de 4-tritylphenyl 10 (triméthylsilyl) déca-5,7,9-triynoate (1)
   Remarque: Les composés nécessaires à la suite décrit les étapes de synthèse peuvent être carrément préparés selon les procédures de la littérature publiée ^29,31. Couche mince chromatography (CCM) et la Chromatographie sur colonne sont effectuées selon des procédures standard de laboratoire ^39,40.
   1. Dissoudre le 1,4-bistrimethylsilylbutadiene (7,82 g, 40,3 mmol) dans du tétrahydrofuranne anhydre (THF, 50 ml) dans une atmosphère inerte, dans un tube de Schlenk muni d'un septum. On agite le mélange et le refroidir à une température de 0 ° C par immersion du ballon dans un bain de glace.
   2. Ajouter lentement complexe de bromure de lithium de lithium de méthyle (17,9 ml, 2,2 M dans Et ₂ O, 39,3 mmol) à cette solution par une seringue. On enlève le bain de refroidissement et laisser le mélange se réchauffer à température ambiante et on laisse sous agitation pendant 30 min.
   3. Immerger le tube de Schlenk dans un bain de glace et refroidir la solution à une température de 0 ° C. ajouter lentement une solution de chlorure de zinc (57,5 ml, 0,7 M dans du THF, 40,24 mmol) à la solution agitée. On enlève le bain de refroidissement, laisser la solution se réchauffer à la température ambiante, et on agite le mélange pendant 30 minutes supplémentaires.
   4. Dans un flacon de Schlenk, disperse le catalyseur au palladium PdCl ₂ (dppf) , DCM (1,60 g, 1,96 mmol) dans du toluène anhydre (300 ml) dans une atmosphère inerte et ajoute 4 tritylphenyl 6-bromohex-5-ynoate de méthyle (10,0 g, 19,63 mmol). Refroidir ce mélange à une température de 0 ° C par immersion du ballon de Schlenk dans un bain de glace.
   5. Transférer la solution dans le tube de Schlenk contenant l'acétylure de zinc dans le ballon de Schlenk contenant le dérivé de bromoacetylene et le catalyseur au palladium en utilisant une canule de transfert. Laisser le mélange sous agitation et surveiller la réaction par CCM ^39. Soit la réaction complète après la CCM (DCM / n - heptane 2: 1; coloration avec une solution de p -anisaldehyde ³⁹⁾ indique que le dérivé de bromoacetylene _(Rf: 0,64) est consommée (après environ 16 heures).
   6. On dilue le mélange réactionnel avec de l' éther diéthylique _(Et2Û) (300 ml) et on la transfère dans une ampoule à décanter. Laver la phase organique trois fois avec saturated solution de chlorure d'ammonium (300 ml) et une fois avec une solution de chlorure de sodium saturée (300 ml).
   7. Transférer la phase organique à partir de l'ampoule à décanter dans un erlenmeyer et on sèche la phase organique sur du sulfate de sodium (100 g). Retirer le sulfate de sodium par filtration et on concentre la phase organique sous vide.
   8. On purifie le produit brut par Chromatographie sur colonne ⁴⁰ (gel de silice; dichlorométhane / n - heptane 1: 1) pour obtenir le produit désiré 1 _(Rf: 0,33; 7,7 g, 71%) sous forme d' un solide brun clair. Vérifiez la pureté de (1) par ¹ H et ¹³ C ^{1 H} spectroscopie RMN ^29.
2. Synthèse de 4-tritylphenyl octacosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate (2)
   Note: La synthèse de 4-tritylphenyl octacosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate 2 est réalisée en deux étapes à partir de 4-tritylphenyl 10 (triméthylsilyl) déca-5,7,9-triynoate en raison de la faible stabilité de l'triyne intermédiaire b observéromide ^41.
   1. Dissoudre 4 tritylphenyl 10- (triméthylsilyl) déca-5,7,9-triynoate 1 (2,00 g, 3,63 mmol) dans du dichlorométhane sec (DCM, 15 ml) dans une atmosphère inerte dans un ballon de Schlenk de 100 ml muni d'un septum. Après dissolution du composé, ajouter de l'acétonitrile anhydre (MeCN, 15 ml).
   2. Protégez le ballon de Schlenk de la lumière avec une feuille d'aluminium et d' ajouter N - bromosuccinimide (679 mg, 3,81 mmol) ainsi que du fluorure d'argent (484 mg, 3,81 mmol). On agite le mélange résultant pendant 8 heures à la température ambiante et de surveiller la progression de la réaction par CCM. Soit la réaction complète après la CCM (DCM / n - heptane 1: 1, détection avec une solution de p -anisaldehyde ³⁹ comme agent de coloration) indique que le matériau de départ (1) _(Rf: 0,33) est consommée (après environ 3 heures) .
   3. On dilue le mélange réactionnel avec du DCM (30 ml) et on la transfère dans une ampoule à décanter. Laver le biosix fois la phase aqueuse avec une solution de chlorure d'hydrogène 1 M (60 ml) et une fois avec une solution de chlorure de sodium aqueux saturé (60 ml).
   4. Transférer la phase organique à partir de l'ampoule à décanter dans un erlenmeyer et on sèche la phase organique sur du sulfate de sodium (50 g). On filtre la phase organique et on concentre le filtrat sous vide à approximativement 10 ml, alors vivement le blindage de la lumière.
   5. Ajouter du toluène anhydre (20 ml) et on concentre le mélange à nouveau sous vide à un volume d'environ 5 ml.
   6. Dissoudre 1-trimethylsilyloctadeca-1,3,5-triyne (2,28 g, 7,26 mmol) dans du THF anhydre (20 ml) dans une atmosphère inerte dans un tube de Schlenk de 100 ml muni d'un septum en caoutchouc. Refroidir la solution à une température de 0 ° C par immersion du tube de Schlenk dans un bain de glace.
   7. Ajouter lentement complexe de bromure de lithium et de méthyl - lithium (3,22 ml, 2,2 M dans _Et2Û, 7,08 mmol) et de maintenir la température du mélange à0 ° C pendant 45 min.
   8. A ce mélange, on ajoute lentement une solution de chlorure de zinc (10,37 ml, 0,7 M dans du THF, 7,26 mmol). Une fois l'addition terminée, agiter le mélange résultant pendant 45 min supplémentaires.
   9. En parallèle, disperser le catalyseur au palladium PdCl ₂ (dppf) , du DCM (296 mg, 0,36 mmol) dans du toluène anhydre (100 ml) dans une atmosphère inerte dans un ballon de Schlenk de 500 ml muni d'un septum en caoutchouc. On refroidit le mélange à une température de 0 ° C par immersion du ballon dans un bain de glace.
   10. Ajouter lentement le lithium n - butyle (0,29 ml, 2,5 M dans le n - hexane, 0,73 mmol) à la dispersion du catalyseur au palladium dans du toluène sec. On enlève le bain de glace après l'addition complète, agiter le mélange pendant 10 min à température ambiante, et ensuite le refroidir à une température de 0 ° C.
   11. Ajouter la solution toluénique concentrée contenant le 4-tritylphenyl 10 bromodeca-5,7,9-triynoate (10 ml, 3,63 mmol) à travers une seringue en même temps que l'acétylure de zinc, de sorterésolu- (voir ci-dessus), qui est ajouté par une canule de transfert du tube de Schlenk. Protégez le ballon avec le mélange réactionnel de la lumière avec une feuille d'aluminium.
   12. Surveiller la progression de la réaction par CCM (DCM / n - heptane 1: 1, détection avec une solution de p -anisaldehyde ³⁹ comme agent de coloration). Après consommation complète du 4-tritylphenyl 10 bromodeca-5,7,9 triynoate _(Rf: 0,34, au bout d' environ 48 h), on dilue le mélange avec du _Et2Û (100 ml) et on la transfère dans une ampoule à décanter. Laver la phase organique trois fois avec une solution aqueuse saturée de chlorure d'ammonium (200 ml) et une fois avec une solution de chlorure de sodium aqueux saturé (200 ml).
   13. Transférer la phase organique dans un erlenmeyer et la sécher sur du sulfate de sodium (80 g). On filtre la phase organique et on concentre le filtrat sous vide.
   14. On purifie le produit brut par Chromatographie sur colonne ⁴⁰ (siligel ca; DCM / n - heptane 1: 1) pour isoler 4 tritylphenyl octacosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate (2) _(Rf: 0,43; 0,60 g, 23%) sous forme d' un solide brun. Vérifiez la pureté de (2) par ¹ H et ¹³ C ^{1 H} spectroscopie RMN ^29.
3. Synthèse de méthyle octacosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate (3)
   1. Dissoudre 4-tritylphenyl octacosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate (2) (208 mg, 0,289 mmol) dans du DCM (15 ml) dans une atmosphère inerte dans un ballon de Schlenk de 100 ml, et on ajoute du methanol ( 10 ml).
   2. Protégez le ballon de la lumière avec une feuille d'aluminium, et d'ajouter méthanolate de sodium (31 mg, 0,578 mmol).
   3. On agite le mélange résultant pendant 30 min à température ambiante. Ensuite, on dilue avec du DCM (15 ml), transvaser dans une ampoule à décanter, laver une fois avec une solution de chlorure d'hydrogène aqueux 1 M (30 ml) et une fois avec une solution de chlorure de sodium aqueux saturé (30 ml).
   4. Transférer la phase organique dans un flacon Erlenmeyer et la sécher sur du sulfate de sodium (30 g). On filtre la phase organique et on concentre le filtrat sous vide.
   5. On purifie le produit brut par Chromatographie sur colonne ⁴⁰ (gel de silice; DCM / n - pentane 1: 1) pour isoler octacosa-méthyl-5,7,9,11,13,15 hexaynoate (3) _(Rf: 0,62) en tant que solution jaune. Stocker le produit de cette réaction sous forme de solution diluée du DCM (10 ml) afin de minimiser toute décomposition.
   6. Transférer environ 3 ml de la solution mère à un verre brun ballon à fond rond et ajouter CDCl ₃ (5 ml). Concentrer la solution jusqu'à environ 1 ml sous vide, on ajoute CDCl ₃ (5 ml) et la solution est concentrée à environ 1 ml sous vide. Effectuer ¹ H et ¹³ C ^{1 H} spectroscopie RMN avec cette solution pour vérifier la pureté de (3) ^29.
4. Lyophilisation de laEster méthylique et Préparation d'une solution Stock
   1. Préparer une solution mère de concentration définie (c = 1 mM) pour des expériences à l'interface air-eau. Transférer une fraction de la solution diluée de méthyle octacosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate dans du DCM à un tarés 50 ml verre brun ballon à fond rond et on concentre la solution à environ 1 ml sous vide.
   2. Raccorder le ballon à une ligne de vide et de plonger le flacon dans de l'azote liquide pour congeler la solution concentrée. Après que le mélange ait complètement solidifiée, appliquer le vide (environ 5 x 10 ^-3 mbar) dans le ballon et retirer le flacon de l'azote liquide.
   3. Après élimination complète du solvant résiduel, de peser le flacon tout en le protégeant de la lumière. Préparer une solution mère de concentration définie c = 1 mM par addition de la quantité appropriée de chloroforme. Bouclier de la solution mère de la lumière et le stocker à une température de -15 ° C.

   Formation 2. Film de la Hexayne amphiphile à l'interface air-eau

   Remarque: Toutes les expériences à l'interface air-eau sont effectués avec polytétrafluoroéthylène interfacé ordinateur creux Langmuir avec un (ou deux) barrières. Les creux sont équipés d'une microbalance à la pression de surface avec une plaque de Wilhelmy de papier filtre. Un thermostat externe est utilisé pour maintenir la température de l'eau sous-phase ultrapure à 20 ° C. Les creux de Langmuir sont placés dans un boîtier étanche pour éviter la contamination de l'interface. Avant que les mesures sont effectuées, la pureté de la surface nue est effectuée par compression. Toutes les configurations de Langmuir expérimentales utilisées sont étalonnés avant l'utilisation en utilisant une méthode d'étalonnage en deux points: la surface de l' eau nue pour 0 mN / m, ainsi que la transition du second ordre d'un basculement vers un état ​​non incliné d'acide stéarique ^42, qui est insensible aux changements de température dans la températ utiliséegamme ure. Cela garantit des mesures fiables et comparables.

   1. Mesure de la surface de pression zone Isotherme et détermination du module de compressibilité
      1. Utiliser une seringue pour répandre soigneusement 100 pl de la solution diluée d'achat d'actions de (3) dans du DCM / chloroforme (c = 1 mmol / L) sur la surface de l'eau ultrapure dans une cuvette de Langmuir.
      2. Laisser la cuvette de Langmuir à équilibrer pendant 15 minutes en laissant le solvant à évaporer.
      3. Comprimer la couche avec un taux de compression constant de 5 Å / (x molécule min) en réduisant la surface de la cuvette de Langmuir avec les barrières. mesurer simultanément la pression de surface avec la microbalance de pression de surface équipée d'une plaque de Wilhelmy de papier filtre. Poursuivre la compression de la couche jusqu'à ce qu'une baisse de la pression superficielle indique la chute du film.
      4. Répéter les mesures isothermes surface de pression dans la région comme décrit dans 2.1.1-2.1.3 deux foisavec une cuve de Langmuir propre pour assurer la reproductibilité des résultats.
      5. Déterminer le module de compressibilité de l'isotherme de la couche selon la relation ⁴³ suivante
         C _s ^-1 = - A (∂ Π / ∂ A) _T
         où A est l'aire moléculaire moyenne et Π la pression de surface.
   2. Etude de la stabilité de la couche ci-dessous et au-dessus du Plateau dans le Isotherme
      1. Étaler une aliquote de 100 pi de la solution diluée d'achat d'actions de (3) sur l'eau ultrapure dans une cuvette de Langmuir.
      2. Laisser la cuvette de Langmuir à équilibrer pendant 15 minutes en laissant le solvant à évaporer.
      3. Comprimer la couche à une pression superficielle de 8 mN / m avec un taux de compression constant de 5 Å / (x molécule min) en réduisant la surface de la cuvette de Langmuir avec les barrières. Poursuivre la compression de la couche jusqu'à ce que la mesure surla pression nominale atteint 8 mN / m et définir les obstacles afin que cette pression de surface est maintenue à une valeur constante.
      4. Surveiller l'évolution de la surface spécifique que les barrières de la cuvette de Langmuir ajuster au cours de 45 min pour maintenir une pression superficielle constante de 8 mN / m.
      5. Comprimer la couche à une pression superficielle de 23 mN / m avec un taux de compression constant de 5 Å / (x molécule min), en réduisant encore la surface de la cuvette de Langmuir avec les barrières. Définir les obstacles afin que la pression superficielle est maintenue constante à 23 mN / m.
      6. Surveiller l'évolution de la surface spécifique que les barrières de la cuvette de Langmuir ajuster au cours de 45 min pour maintenir une pression superficielle constante de 23 mN / m.
   3. Caractérisation de la couche par spectroscopie infrarouge de réflexion-absorption
      Remarque: Pour enregistrer (IR) infrarouge, un spectromètre FT-IR équipé d'un liquide tellurure de cadmium et de mercure refroidi à l'azote (MPM), le détecteur est utilisé et celui-ci est fixé à une unité de réflexion air / eau externe. Le faisceau infrarouge est guidé hors du spectromètre et est focalisée sur la surface de l'eau ultra-pure de la cuvette de Langmuir thermostaté. La lumière de p -polarization à un angle d'incidence inférieur à (40 °) , l'angle de Brewster a été utilisé pour les mesures. La cuvette de Langmuir pour la mesure IR est composée de deux compartiments: un compartiment dans le système monocouche d'échantillon est étalé, tandis que l'autre compartiment contient de l'eau ultra-pure sous-phase de référence. Un système de navette commandé par ordinateur, est utilisé pour déplacer la cuvette, de sorte que soit l'échantillon ou le compartiment de référence est éclairé. Pour éliminer le signal de la vapeur d'eau à partir des spectres, calculer le spectre de réflexion-absorption selon log (R / R _0), le faisceau unique spectre de réflectance du compartiment de référence (R ₀₎ en tant que fond pour la réflexion monofaisceau spectrede la monocouche (R) à partir du compartiment d'échantillon. Maintenir la pression de vapeur d'eau constante en plaçant l'ensemble de l'installation expérimentale dans une boîte hermétiquement fermée. Dans toutes les expériences, utiliser une vitesse de résolution et d'un scanner de 8 cm ^-1 et 20 kHz, respectivement. Utilisez un polariseur à grille métallique pour polariser le faisceau incident IR. Co-ajouter les spectres avec p lumière multipolarisé plus de 400 scans. Effectuer une ligne de base de correction pour permettre une comparaison des spectres.
      1. Étaler une aliquote de 100 pi de la solution diluée d'achat d'actions de (3) sur l'eau ultrapure dans une cuvette de Langmuir comprenant une installation de spectroscopie de réflexion-absorption infrarouge (IRRA).
      2. Laisser la cuvette de Langmuir à équilibrer pendant 15 minutes en laissant le solvant à évaporer.
      3. Comprimer la couche à une pression superficielle de 1 mN / m avec un taux de compression constant de 5 Å / (x molécule min) en réduisant la surface de la cuvette de Langmuir avec les barrières. Surveiller le pré de surfacessure au moyen de la microbalance à la pression de surface avec une plaque de Wilhelmy de papier filtre et régler les barrières de la cuvette de Langmuir de telle sorte qu'une pression superficielle de 1 mN / m est maintenue.
      4. Enregistrement d' un spectre IR avec p lumière multipolarisé à un angle d'incidence de 40 ° ^44,45.
      5. Comprimer la couche à un taux de compression constant de 5 Å / (molécule x min), en réduisant encore la surface de la cuvette de Langmuir avec les obstacles afin que les pressions de surface de 3, puis 5 et enfin 8 mN / m sont obtenus comme indiqué par la microbalance de pression de surface. Les spectres d'enregistrement avec la lumière à polarisation p d'un angle d'incidence de 40 ° pour chacune de ces pressions de surface tout en maintenant celle - ci constante ^44,45.

   3. carbonisation d'un Hexayne amphiphile monocouche à la température ambiante

   Remarque: Toutes les expériences à l'interface air-eau sont effectuées comme décrit ci-dessus. irradi UVtion est effectuée en utilisant un 250 W de gallium dopé à l'halogénure métallique lampe UV (UV-Light Technology, Birmingham, Royaume-Uni). Pour carbonisations de films à l'interface air-eau, la boîte enfermant la cuvette de Langmuir est soigneusement enlevé ou ouvert sur le côté, et la lampe est placée à 50 cm de la surface de l'eau tout en assurant que l'interface air-eau est traitée dans la cône de lumière UV. Au cours de l'éclairage, la température de la sous-phase est maintenue à 20 ° C en utilisant le thermostat de la cuve de Langmuir. Toutes les expériences de carbonisation sont effectuées à une pression superficielle de 8 mN / m. A cette pression, une garniture étanche d'amphiphiles est assurée tandis que, en même temps, la monocouche présente une stabilité élevée.

   1. Etude de la carbonisation par IRRA Spectroscopie et mesure Isotherme
      Remarque: les spectres IRRA sont enregistrés comme décrit ci - dessus ^44,45.
      1. Étaler une aliquote de 100 pi de la solution diluée d'achat d'actions de (3) sur l'eau ultrapure dansla cuvette de Langmuir comprenant une configuration spectroscopie de réflexion-absorption infrarouge (IRRA).
      2. Laisser la cuvette de Langmuir à équilibrer pendant 15 minutes en laissant le solvant à évaporer.
      3. Comprimer la couche à un taux de compression constant de 5 Å / (molécule x min) en réduisant la surface de la cuvette de Langmuir avec les barrières de telle sorte qu'une pression superficielle de 8 mN / m est obtenu tel que mesuré par la microbalance de pression de surface équipé une plaque Wilhelmy de papier filtre. Définir les barrières de la cuvette de Langmuir de telle sorte qu'une pression superficielle de 8 mN / m est maintenue.
      4. Enregistrement d' un spectre IR avec p lumière multipolarisé à un angle d'incidence de 40 ° ^44,45.
      5. Retirez délicatement la boîte enfermant la cuvette de Langmuir. Monter la lampe UV à un socle de support et le placer à une distance d'environ 50 cm de la surface de l'eau tout en veillant à ce que l'interface est traitée dans le cône de la lumière UV.
      6. Après avoir confirmé que la monocouche est encorecomprimé à une pression superficielle de 8 mN / m, telle que mesurée par la microbalance de pression de surface, régler les barrières de la cuvette de Langmuir afin qu'ils soient fixés à la position actuelle.
      7. Exposer l'interface air-eau à la lumière UV. Arrêtez l'irradiation en tournant la lampe après un total de 40 min d'irradiation. Surveiller et enregistrer le changement de la pression superficielle par la microbalance de pression de surface équipée d'une plaque de Wilhelmy de papier filtre pendant toute la durée de l'irradiation.
      8. Entourer la cuvette de Langmuir dans le boîtier étanche afin d'éviter une contamination de l'interface. Laissez le programme d'installation pour équilibrer pendant 30 min. Définir les barrières de la cuvette de Langmuir pour maintenir la pression de surface observée par la microbalance de pression de surface après l'irradiation.
      9. Enregistrement d' un spectre IR avec p lumière multipolarisé à un angle d'incidence de 40 ° ^44,45.
   2. Investigation du Film Carbonized par Brewster Angle Microscopey
      Remarque: microscopie à angle de Brewster (BAM) expériences sont effectuées sur un ordinateur interfacé Langmuir auge-mesure couplé avec un angle microscope Brewster comme décrit par ailleurs ^46,47. Les isothermes de pression de surface sont mesurées en continu pendant toute la durée des expériences de microscopie. La résolution latérale est d'environ 4 pm avec la configuration utilisée. simple logiciel de traitement d'image est utilisé pour améliorer le contraste des micrographies.
      1. Étaler une aliquote de 100 pi de la solution diluée d'achat d'actions de (3) sur l'eau ultrapure dans la cuvette de Langmuir aligné avec l'angle microscope Brewster.
      2. Laisser la cuvette de Langmuir à équilibrer pendant 15 minutes, en laissant le solvant à évaporer.
      3. Comprimer la couche à une pression superficielle de 8 mN / m avec un taux de compression constant de 5 Å / (x molécule min) en réduisant la surface de la cuvette de Langmuir avec les barrières. Surveiller la pression de surface au moyen de la pression de surfacemicrobalance sûr équipé d'un papier-filtre lame de Wilhelmy et fixer les barrières de la cuvette de Langmuir de telle sorte qu'une pression superficielle de 8 mN / m est maintenue.
      4. Enregistrez BAM micrographies à cette pression de surface ^46,47.
      5. Ouvrez soigneusement la boîte enfermant la cuvette de Langmuir. Monter la lampe UV à un socle de support et le placer à une distance d'environ 50 cm de la surface de l'eau tout en veillant à ce que l'interface est traitée dans le cône de la lumière UV.
      6. Assurez-vous que la monocouche est encore comprimée à une pression de surface de 8 mN / m et fixer la position des barrières de la cuvette de Langmuir.
      7. Exposer l'interface air-eau à la lumière UV. Arrêtez l'irradiation en tournant la lampe après un total de 40 min. Surveiller et enregistrer le changement de la pression de surface sur toute la durée de l'irradiation.
      8. Micrographies BAM Record après irradiation ^46,47.
      9. Utiliser une aiguille pour manipuler le nanofeuille de carbone à l'interface air-eau,et utiliser le BAM pour surveiller le mouvement du nanofeuille de carbone. Appliquer une pression à la nanofeuille de carbone conduit à une rupture de la feuille.
      10. Enregistrez BAM micrographies de la feuille rupture ^46,47.
   3. Langmuir-Blodgett Transfert d'une couche uncarbonized et un nanofeuille carbone à partir de l'interface air-eau à un substrat solide
      Remarque: Le saphir (Al ₂ O ₃₎ substrats sont nettoyés avant le transfert par un traitement piranha de base et stockés dans l' eau ultrapure avant utilisation ^48. Une paire de pinces fixées à un bras mécanique est placé verticalement au- dessus d' une cuvette de Langmuir avec une cavité appropriée en profondeur pour le transfert de Langmuir-Blodgett (LB) de couches à partir de l'interface air-eau ^49. Si le transfert d'un non-carbonisées ainsi qu'un échantillon carbonisé est destiné au sein de la même expérience, telle que décrite ici, deux paires de pinces doivent être fixé au bras mécanique à des hauteurs différentes de sorte qu'un substrat de cun être retiré tandis que le second substrat reste immergé dans la sous-phase. Le transfert de Langmuir-Schäfer (LS) a été réalisée manuellement par microscopie électronique à transmission de carbone troué (TEM) des grilles de support ^50.
      1. Installez deux substrats de saphir avec les deux paires de pinces, plonger les substrats dans la sous-phase, et nettoyez soigneusement l'interface air-eau avant de se propager.
      2. Étaler soigneusement une aliquote de 100 pi de la solution diluée d'achat d'actions de (3) dans du DCM / chloroforme sur l'eau ultrapure dans la cuvette de Langmuir.
      3. Laisser la cuvette de Langmuir à équilibrer pendant 15 minutes en laissant le solvant à évaporer.
      4. Comprimer la couche à une pression superficielle de 8 mN / m avec un taux de compression constant de 5 Å / (x molécule min) en réduisant la surface de la cuvette de Langmuir avec les barrières. Surveiller la pression de surface au moyen de la micro-balance de pression de surface équipée d'une plaque de Wilhelmy de papier filtre et définir les barrièresla cuvette de Langmuir de telle sorte qu'une pression superficielle de 8 mN / m est maintenue.
      5. Afin de transférer la monocouche non carbonisée sur un substrat de saphir, de maintenir la monocouche à une pression superficielle de 8 mN / m, comme indiqué par la microbalance de pression de surface et tirer le bras mécanique à une vitesse de 1,2 mm / min jusqu'à ce que la première substrat est complètement retiré de la sous-phase. Le second substrat doit rester immergé dans la sous-phase.
      6. récupérer soigneusement le premier substrat portant la couche non-carbonisée de la paire de pinces, le stocker à l'abri de la lumière et de l'employer pour l'application prévue en cas de besoin.
      7. Ouvrez soigneusement la boîte enfermant la cuvette de Langmuir. Monter la lampe UV à un socle de support et le placer à une distance d'environ 50 cm de la surface de l'eau, tout en veillant à ce que l'interface est traitée dans le cône de la lumière UV.
      8. Assurez-vous que la monocouche est encore comprimée à une pression de surface de 8 mN / m et fixer la position des barrières.
      9. Exposer l'interface air-eau à la lumière UV. Arrêtez l'irradiation en tournant la lampe après un total de 40 min d'irradiation. Surveiller et enregistrer le changement de la pression de surface telle que mesurée par la microbalance de pression de surface pendant toute la durée de l'irradiation.
      10. Afin de transférer le film carbonisé sur un substrat de saphir, de définir les barrières de la cuvette de Langmuir de telle sorte que la pression de surface mesurée après l'irradiation est maintenue. Tout en maintenant constante par les barrières de la cuvette de Langmuir la pression de surface, rétracter le bras mécanique de maintien du substrat à partir de l'interface à une vitesse de 1,2 mm / min jusqu'à ce que le substrat soit complètement retiré de la sous-phase.
      11. récupérer soigneusement le substrat portant la couche carbonisée de la paire de pinces.
      12. Tenir une grille de TEM de carbone holey avec une paire de pinces et d' effectuer un transfert de LS manuel de la couche carbonisée de l'interface air-eau ^50. Soit til échantillonner lentement sec dans un léger courant d'azote et d'effectuer microscopie électronique à balayage (MEB) imagerie.
      13. spectres Record UV / Vis d'absorption de la couche non-carbonisées et nanofeuille de carbone sur un spectromètre UV / Vis à une vitesse de balayage de 400 nm par minute. Utilisez un saphir substrat vide comme référence.

13 C résonance magnétique nucléaire (RMN) de la molécule de précurseur préparée 3 présente les 12 sp hybridé atomes de carbone du segment hexayne avec les déplacements chimiques δ = correspondants de 82 à 60 ppm (figure 1b). Par ailleurs, les signaux à δ = 173 ppm et à δ = 52 ppm sont affectés au groupe carbonyle et le carbone méthyle de l'ester, respectivement. Les signaux entre δ = 33-14 ppm sont attribués aux carbones aliphatiques du résidu dodécyle. Le / Vis spectre de 3 d'absorption correspondant UV montre la structure fine vibronique caractéristique d'un hexayne (figure 1c).

Les propriétés filmogènes de la hexayne amphiphile (3) sont étudiés par la mesure de la surface de pression zone isotherme et en dériver les modules de compressibilité (Figure 2a-b). Compression de la couche conduit à une augmentation de la pression superficielle dans une zone moléculaire moyen de 24 nm 2 et l'isotherme comporte une pente raide. En outre, une région de plateau fortement incliné est observée entre les pressions de surface de 9 et 15 mN / m, correspondant à dire les zones moléculaires de 22 et 18 Å 2, respectivement. Au- dessus du plateau, une deuxième forte augmentation de la pente de l'isotherme est observée jusqu'à l'effondrement du film à une pression superficielle de 37 mN / m correspondant à une zone moléculaire moyen de 17 nm 2. Une parcelle du module par rapport à la pression de surface de compressibilité montre que les anciens augmente à des valeurs de -1> 100 mN / m de C , même à des pressions de surface aussi faible que 1-9 mN / m. Ceci est suivi par une diminution du module dans la région du plateau, et une augmentation supplémentaire au - delà de valeurs de C s -1> 300 mN / m jusqu'àà l'effondrement du film. La surveillance de la couche (3) à une pression superficielle de 8 mN / m ne montre aucun changement dans la zone de surface correspondante (figure 2c). À une pression superficielle de 23 mN / m au- dessus du plateau de l'isotherme, cependant, une réduction significative de la surface se produit au cours de 45 mn (figure 2d).

La monocouche auto-assemblée à une pression de surface au- dessous du plateau de l'isotherme est caractérisé par l' enregistrement d' absorption infrarouge de réflexion (IRRA) spectres (figure 3). Les spectres IRRA à des pressions de surface des larges bandes 1-8 mN / m show à 3.600 et 1.670 cm -1 qui découlent de l'OH étirement et de flexion des vibrations de l' eau, respectivement. En outre, une bande à 2350 cm -1 est observé que provient d'une compensation insuffisante du signal de dioxyde de carbone (Figure 3a). Nposte à ces signaux d'arrière - plan, les bandes d'affichage des spectres à 2919 et 2849 cm - 1 correspondant au CH asymétrique et symétrique 2 des vibrations d' étirement des résidus dodécyle de l' agent amphiphile (3) (figure 3b). Les positions de ces bandes servent de marqueurs qualitatifs pour l'ordre conformationnel des résidus alkyle en monocouches à l'interface air-eau 45,51. De plus, des bandes à 2200 et 2171 cm -1 , on observe que l' on peut attribuer aux vibrations d' étirement C = C du fragment hexayne (figure 3c). Les spectres IRRA ne changent pas lors de la compression de la couche à différentes pressions de surface en dessous du plateau dans l'isotherme.

Le processus de carbonisation est suivie par spectroscopie IRRA et l'évolution de la pression de surface est suivie par l' intermédiaire de la micro - balance de pression de surface (Figure 4). A comparissur des spectres IRRA avant et après irradiation UV montre que la bande de vibration associée aux groupements hexayne (ν (C = C)) à 2200 et 2172 cm - 1 a complètement disparu après 40 minutes d'irradiation (figure 4c). Dans le même temps, le méthylène asymétrique et symétrique vibrations d' élongation à 2,919 et 2,849 cm -1 diminution de l'intensité et de décaler des fréquences de 2924 et 2855 cm - 1, respectivement (figure 4b). Par ailleurs, le groupe OH de la sous - phase (ν (OH)) à 3.600 cm - 1 diminue significativement l'intensité au cours de l' irradiation (figure 4a). Les données provenant de l'émission de microbalance de pression de surface qui, lorsque les barrières sont fixées après la compression de la monocouche à 8 mN / m et l'irradiation UV est commencé, la pression de surface augmente rapidement au-delà des valeurs de 27 mN / m au cours du carbonisation processus.

Les films transférés sur des substrats de saphir après la carbonisation induite par les UV présentent une large absorption monotone aux longueurs d'onde allant jusqu'à 550 nm dans le spectre UV / visible du spectre respectif (figure 4E). Le pic principal d'absorption des nanofeuilles de carbone est observée à environ 260 nm, et la comparaison avec le spectre de la monocouche avant l'irradiation confirme la transformation complète des groupements hexayne. Des micrographies angle de Brewster (figure 5) et la microscopie électronique à balayage (MEB) des images servent de moyen pour visualiser les nanofeuilles de carbone obtenus (figure 6). Alors que Brewster angle micrographies d'une monocouche de l'amphiphile (3) comprimés à 8 mN / m montrent un film avec des imperfections ou des vides comme indiqué par les régions noires (Figure 5a), les images de la couche obtenue après carbonisation par irradiation UV diévaser un net changement dans la texture du film (figure 5b, c). Après la rupture des îles de la feuille restent flottant à l'interface air-eau (Figure 5d). La microscopie électronique montre nanofeuillets après le transfert de Langmuir-Schäfer à une grille de TEM de carbone holey comme support. Les nanofeuillets sont mécaniquement suffisamment stables pour couvrir les trous de taille micrométrique dans une grille de TEM (Figure 6a-d). Un léger contraste est observé entre les régions couvertes avec le nanofeuille de carbone et d' autres à une tension d' accélération de 2,0 kV (figure 6a, la tache sombre visible dans l'image provient de la distance de travail restreint conduisant à un effet d'ombrage à faible grossissement). Les images prises à la même position mettent en évidence l'influence de la tension d' accélération, selon le nanofeuille de carbone devient opaque au faisceau d'électrons à environ 0,5 kV et le nanofeuille de carbone présente drapage, ainsi que les rides , à son bord (figure 6b, c). Le film est par ailleurs très lisse et uniformément réparties sur la grille plus loin de la région frontalière (Figure 6d, le défaut dans les aides à la grille de support pour identifier la nanofeuille de carbone).

Figure 1: (A) Synthèse du composé amphiphile hexayne (3) , par la bromation séquentielle 52,53 et un allongement catalysée par Pd 30,31 du segment alcyne. Réactifs et conditions: (i) le 1,4-bis (triméthylsilyl) buta-1,3-diyne, MeLi · LiBr, ZnCl 2, PdCl2 (dppf) · DCM, THF / toluène, 71%; ii) AgF, NBS, MeCN; puis 1-trimethylsilyloctadeca-1,3,5-triyne 7, MeLi · LiBr, ZnCl 2, PdCl2 (dppf) · DCM, THF / toluène, 23% en deux étapes; (Iii) NaOMe, DCM, MeOH, quantitatif. (< strong> b) Le spectre RMN 13 C de l'hexayne amphiphile (3) avec douze résonnances acétylène de carbone (orange) et (c) le spectre correspondant UV / Vis. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2: Etude de l'amphiphile hexayne (3) à l'interface air-eau (a) L'isotherme de la zone de pression de surface et (b) la courbe du module du film de compressibilité indiquent une transition directe d'une phase analogue-gaz. une phase condensée. (C) une couche est comprimée à 8 mN / m, ainsi que (d) de 23 mN / m, et le développement de l'aire de surface est contrôlée à une pression superficielle constante. om / files / ftp_upload / 53505 / 53505fig2large.jpg "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3: réflexion-absorption infrarouge (IRRA) spectres du film de l'amphiphile hexayne (3) (40 °, p lumière multipolarisé) comprimé à la surface des pressions comprises entre 1 mN / m (ligne noire) et 8 mN / m (lumière ligne bleue). (a) le spectre complet avec bandes à 3.600 et 1.670 cm -1 de la sous - phase de l' eau ainsi que le pic autour de 2350 cm -1 en raison de l' insuffisance de la compensation du dioxyde de carbone. (B) la région spectrale des vibrations d' élongation méthylène, ainsi que (c) les bandes correspondant à la fraction hexayne. 05 / 53505fig3large.jpg "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4: Etude de la carbonisation d'un film du réactif, amphiphile riche en carbone 3. (A) les spectres de IRRA enregistré avant (ligne bleue) et après 40 min (ligne rouge) de l' irradiation UV. (B) la région spectrale des vibrations d' élongation méthylène, ainsi que (c) les bandes correspondant à la fraction hexayne. (D) avec les barrières fixées à une surface constante, une augmentation significative de la pression de surface est observée au cours de la carbonisation. (E) UV / Vis spectres des films irradiés par rapport à un film non-carbonisées de (3) montrent une absorption large et sans relief aux longueurs d'onde allant jusqu'à 600 nm.om / files / ftp_upload / 53505 / 53505fig4large.jpg "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 5: angle microscopie Brewster (BAM) des expériences avec un film de amphiphile 3 à l'interface air-eau avant et après la carbonisation par irradiation UV (a) Micrographie d'une monocouche de (3) comprimé à 8 mN / m.. (B) Après irradiation UV, une nette modification de la texture du film est observé que (c) devient plus homogène après avoir laissé le film d'élargir l'ouverture des barrières. (D) Rupture de la feuille carbonisée par manipulation avec une aiguille laisse îles flottantes à l'interface air-eau. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une plus grande version de ce chiffre.

La figure 6. La microscopie électronique à balayage (MEB) d'une nanofeuille de carbone après le transfert de Langmuir-Schäfer à une grille de MET de carbone comme support troué (a) une grille partiellement recouverte imager à une tension d' accélération de 2,0 kV. (B - c) Le nanofeuille de carbone devient opaque au faisceau d'électrons à environ 0,5 kV. (D) à distance du bord, un film lisse se propage de manière uniforme la grille. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Les auteurs n’ont rien à divulguer.