Synthèse et caractérisation de monocouches de structure métallo-organique auto-assemblées à l’aide de particules revêtues de polymère

Résumé

Un protocole pour la synthèse et la caractérisation de monocouches de structure métallo-organique auto-assemblées est fourni à l’aide de cristaux de structure métallo-organique (MOF) greffés de polymères. La procédure montre que les particules de MOF greffées de polymère peuvent être auto-assemblées à une interface air-eau, ce qui donne des structures monocouches bien formées, autoportantes, comme en témoigne l’imagerie par microscopie électronique à balayage.

Résumé

Les cadres métallo-organiques (MOF) sont des matériaux ayant des applications potentielles dans des domaines tels que l’adsorption et la séparation de gaz, la catalyse et la biomédecine. Les tentatives visant à améliorer l’utilité des MOF ont impliqué la préparation de divers composites, y compris des MOF greffés à des polymères. En greffant directement des polymères sur la surface externe des MOF, les problèmes d’incompatibilité entre les polymères et les MOF peuvent être surmontés. Les brosses polymères greffées à la surface des MOF peuvent servir à stabiliser le MOF tout en permettant l’assemblage de particules en monocouches de cadre métallo-organique (SAMM) auto-assemblées via des interactions polymère-polymère.

Le contrôle de la composition chimique et du poids moléculaire du polymère greffé peut permettre d’ajuster les caractéristiques SAMM. Dans ce travail, des instructions sont fournies sur la façon d’immobiliser un agent de transfert en chaîne (CTA) sur la surface du MOF UiO-66 (UiO = Universitetet i Oslo). Le CTA sert de sites d’initiation pour la croissance des polymères. Une fois que les chaînes polymères sont développées à partir de la surface du MOF, la formation de SAMM est obtenue par auto-assemblage à une interface air-eau. Les SAMM résultants sont caractérisés et démontrés comme étant autonomes par imagerie par microscopie électronique à balayage. Les méthodes présentées dans cet article devraient rendre la préparation des SAMM plus accessible à la communauté des chercheurs et ainsi élargir leur utilisation potentielle en tant que composite MOF-polymère.

Introduction

Les cadres métallo-organiques (MOF) sont des matériaux cristallins et poreux qui offrent de grandes surfaces tout en étant facilement accordables par des modifications des ligands organiques ou des nœuds métalliques ^1,2. Les MOF sont construits à partir de deux composants : un ligand organique et des ions métalliques (ou amas d’ions métalliques appelés unités de construction secondaires). Les MOF ont été étudiés pour le stockage de produits chimiques (par exemple, les gaz), les séparations, la catalyse, la détection et l’administration de médicaments. Généralement, les MOF sont synthétisés sous forme de poudres cristallines ; Cependant, pour faciliter la manipulation dans de nombreuses applications, la formulation dans d’autres facteurs de forme est souhaitable si elle n’est pas nécessaire ^3,4. Par exemple, les membranes à matrice mixte (MMM) de MOF avec des polymères ont été signalées comme un composite particulièrement utile de MOF et de polymères⁵. Cependant, dans certains cas, les MMM peuvent avoir des limites en raison de l’incompatibilité/immiscibilité entre le MOF et les composants polymères ^5,6. Par conséquent, des stratégies ont été explorées pour incorporer la greffe de polymère directement sur les particules de MOF pour former des MOF greffés de polymère.

Les nanoparticules inorganiques et métalliques présentent un comportement unique en termes de propriétés optiques, magnétiques, catalytiques et mécaniques ^7,8. Cependant, ils ont tendance à s’agréger facilement après la synthèse, ce qui peut entraver leur aptitude au traitement. Pour améliorer leur aptitude au traitement, des chaînes de polymères peuvent être greffées sur la surface des particules⁹. Les nanoparticules à haute densité de greffage offrent une excellente dispersion et stabilité en raison des interactions enthalpiques favorables entre les polymères de surface et les interactions solvant et répulsion entropique entre les particules¹⁰. La greffe de polymères sur des surfaces de particules peut être réalisée par diverses stratégies¹¹. L’approche la plus simple est la stratégie de « greffage » de particules, où des groupes fonctionnels, tels que les thiols ou les acides carboxyliques, sont introduits aux extrémités des chaînes polymères pour se lier directement à la nanoparticule. Lorsque des groupes chimiques complémentaires, tels que des hydroxyles ou des époxydes, sont présents à la surface des particules, des chaînes polymères peuvent être greffées sur ces groupes par des approches chimiques covalentes^12,13. La méthode de polymérisation initiée par la surface consiste à ancrer des initiateurs ou des agents de transfert de chaîne (CTA) à la surface de nanoparticules, puis à faire croître des chaînes de polymères à la surface de la particule par polymérisation initiée en surface. Cette méthode permet souvent d’obtenir une densité de greffage plus élevée que l’approche « greffage à ». De plus, le greffage permet la synthèse de copolymères séquencés, élargissant ainsi la diversité des structures polymères qui peuvent être immobilisées à la surface d’une particule.

Des exemples de greffe de polymère sur des particules de MOF ont commencé à émerger, principalement axés sur l’installation de sites de polymérisation sur les ligands organiques du MOF. Dans une étude récente publiée par Shojaei et ses collègues, des groupes vinyle ont été attachés de manière covalente aux ligands du MOF UiO-66-NH₂ à base de Zr(IV) (UiO = Universitetet i Oslo, où le ligand de l’acide téréphtalique contient un substituant aminé), suivi d’une polymérisation au méthacrylate de méthyle (MMA) pour créer des MOF greffés de polymère avec une densité de greffage élevée (Figure 1A)¹⁴. De même, Matzger et ses collègues ont fonctionnalisé les groupes amines sur des particules MOF-5 (alias IRMOF-3@MOF-5) avec des groupes 2-bromo-iso-butyle. En utilisant la polymérisation initiée par les groupes 2-bromo-iso-butyle, ils ont créé du PMMA@IRMOF-3@MOF-5¹⁵ greffé de poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA).

En plus de fonctionnaliser le ligand du MOF pour le greffage à partir de la polymérisation, de nouvelles méthodes qui créent des sites pour la greffe de polymère via la coordination avec les centres métalliques (alias SBU) du MOF ont également été explorées. Par exemple, un ligand qui peut se lier aux centres métalliques du MOF, tel que le catéchol (Figure 1B), peut être utilisé pour se coordonner avec les sites métalliques exposés à la surface du MOF. À l’aide d’un agent de transfert en chaîne fonctionnalisé par catéchol (cat-CTA, Figure 1B), la surface du MOF peut être fonctionnalisée et rendue apte à un greffage par polymérisation.

Récemment, la stratégie susmentionnée de synthèse des composites MOF-polymère a également été utilisée pour la création de monocouches MOF autonomes 16,17,18. Des MOF tels que UiO-66 et MIL-88B-NH₂ (MIL = Materials of Institute Lavoisier) ont été fonctionnalisés en surface avec pMMA à l’aide d’une stratégie ligand-CTA (Figure 1B). Les particules de MOF greffées de polymères ont été auto-assemblées à une interface air-eau pour former des monocouches de cadre métallo-organique (SAMM) autoportantes et auto-assemblées d’une épaisseur de ~250 nm. La teneur en polymères de ces composites était de ~20 % en poids, ce qui indique que les SAMM contenaient une charge de ~80 % en poids de MOF. Des études de suivi ont montré que différents polymères vinyliques pouvaient être greffés sur UiO-66 pour produire des SAMM avec des caractéristiques différentes¹⁹. Des techniques analytiques telles que l’analyse thermogravimétrique (TGA), la diffusion dynamique de la lumière (DLS) et la chromatographie par perméation de gel (GPC) ont été utilisées pour calculer la hauteur de la brosse polymère et la densité de greffage des composites MOF-polymère greffés en surface.

Ici, la préparation de SAMM à partir d’UiO-66-pMA (pMA = poly(acrylate de méthyle)) est présentée. Pour la polymérisation de l’acrylate de méthyle (MA), l’acide 2-(dodécylthiocarbonothioylthio)-2-méthylpropionique (DDMAT, figure 1B) est utilisé comme CTA¹⁹. La fonctionnalisation des particules d’UiO-66 avec cat-DDMAT est essentielle pour la greffe de pMA. Le Cat-DDMAT peut être synthétisé par une procédure d’acylation en deux étapes à partir d’un CTA disponible dans le commerce et d’un chlorhydrate de dopamine¹⁹. Il est également crucial d’utiliser des particules UiO-66 de taille uniforme pour la formation réussie de SAMMs¹⁹ ; par conséquent, l’UiO-66 utilisé dans cette étude a été préparé à l’aide de la méthode d’addition continue²⁰. La méthode de polymérisation utilisée pour former les particules de MOF greffées de polymère est le transfert de chaîne d’addition-fragmentation réversible photoinduit (RAFT) effectué sous une lumière LED bleue (à l’aide d’un photoréacteur construit en interne, Figure 2) avec un photocatalyseur tris(2-phénylpyridine)iridium (Ir(ppy)₃). La polymérisation RAFT donne une dispersion de polymère exceptionnellement étroite qui peut être finement contrôlée. Le CTA libre est inclus pendant la réaction de polymérisation car le rapport entre l’agent de transfert et le monomère permet de contrôler le poids moléculaire pendant la polymérisation. La quantité d’agent de transfert de DDMAT cat-à la surface des particules de MOF est faible ; par conséquent, l’excès de CTA libre est ajouté et la quantité de monomère à utiliser est calculée sur la base de la quantité de CTA libre présente²¹. Après polymérisation, le polymère libre produit à partir du CTA libre est éliminé par lavage, ne laissant que l’UiO-66-pMA greffé au polymère. Par la suite, ce composite est dispersé dans du toluène à une forte concentration et utilisé pour former des SAMM à une interface air-eau.

Protocole

1. Modification de surface de l’UiO-66 avec cat-DDMAT

1. Remplacez le solvant d’UiO-66 du méthanol par de l’eau.
   1. Préparer l’UiO-66 dans du méthanol à une concentration de 20 mg/mL.
      REMARQUE : Selon Wang et ^al.20, l’UiO-66 homogène est lavé avec du DMF et du méthanol après la synthèse, puis stocké à l’état dispersé dans du méthanol.
   2. Transférer les 10 mL de suspension d’UiO-66 dans un tube à centrifuger conique de 15 mL à l’aide d’une pipette.
   3. Effectuer une centrifugation à environ 10 000 × g pendant 10 min, retirer le surnageant et ajouter 10 mL d’eau désionisée (DI).
      REMARQUE : Dans les cas où les particules ne se déposent pas complètement dans ces conditions, une étape de centrifugation supplémentaire de 10 minutes peut être effectuée.
   4. Redisperser les particules d’UiO-66 dans l’eau.
      REMARQUE : Pour une dispersion adéquate, l’utilisation de la sonication et du vortex (la vitesse maximale peut être utilisée) à température ambiante peut être nécessaire.
   5. Centrifuger à nouveau dans les mêmes conditions qu’à l’étape 1.1.3., ajouter 10 mL d’eau DI fraîche et redisperser.
2. Dissoudre 10 mg de DDMAT de chat dans 5 mL de chloroforme.
   1. Peser 10 mg de DDMAT de chat dans un flacon de 20 mL.
   2. Ajouter 5 mL de chloroforme dans le flacon à l’aide d’un cylindre gradué.
   3. Fermez le flacon et le sonicate à température ambiante jusqu’à ce qu’une solution claire soit obtenue.
3. Vortex la solution cat-DDMAT avec la solution UiO-66 pendant 3 min.
   1. Transférez séquentiellement la dispersion aqueuse d’UiO-66 de l’étape 1.1 et la solution cat-DDMAT de l’étape 1.2 dans un tube de centrifugation conique de 40 mL.
   2. Assurer un mélange suffisant en tourbillonnant pendant 3 min.
4. Ajoutez 20 ml d’éthanol au mélange à l’aide d’un cylindre et agitez pour bien mélanger.
   REMARQUE : Un vortex supplémentaire peut être nécessaire pour un mélange correct.
5. Soumettre le mélange à la centrifugation, laver avec 40 mL d’éthanol et le disperser dans 10 mL de DMSO pour le stockage.
   1. Centrifuger à environ 10 000 × g pendant 10 min, retirer le surnageant et ajouter 40 ml d’éthanol frais.
      REMARQUE : Dans les cas où les particules ne se déposent pas complètement dans ces conditions, une étape de centrifugation supplémentaire de 10 minutes peut être effectuée.
   2. Sonicate pour assurer une bonne redispersion.
   3. Centrifugez à nouveau dans les mêmes conditions qu’à l’étape 1.5.1, ajoutez 40 ml d’éthanol frais et redispersez.
      REMARQUE : Lors de la centrifugation, on peut observer que l’UiO-66 blanc à l’origine se transforme en jaune pâle, confirmant la fonctionnalisation avec DDMAT.
   4. Après une autre série de centrifugation, ajoutez 5 ml de DMSO dans le tube.
   5. Sonicez les particules pour obtenir une dispersion maximale et transférez-les dans un tube à centrifuger conique de 15 ml.
   6. Ajouter 5 ml de DMSO frais dans un tube de 50 ml pour disperser les particules restantes.
   7. Transférez la dispersion de DMSO dans le tube de 50 mL dans le tube de 15 mL pour la combiner avec la dispersion de DMSO d’origine.
   8. Mélangez par vortex et sonication, puis stockez l’échantillon.
      NOTE : La couleur jaune du cat-DDMAT permet d’observer la fonctionnalisation de surface par un changement de couleur des particules (Figure 3)

2. Polymérisation de l’acrylate de méthyle à partir de l’UiO-66-DDMAT

1. À l’aide d’une pipette, transvaser 2 mL de dispersion UiO-66-DDMAT dans du DMSO dans une fiole à fond rond (RBF) de 10 mL.
   REMARQUE : Si la dispersion a été stockée pendant une période prolongée, elle peut être rendue uniforme à nouveau par vortex et sonication supplémentaires avant d’être transférée vers le RBF.
2. Ajouter la solution mère du catalyseur Ir(ppy)₃ et la solution mère DDMAT tout en remuant.
   1. Placez une barre d’agitation à l’intérieur du RBF et fixez-la sur une plaque d’agitation.
   2. Amorcer l’agitation et ajouter 12 μL de la solution mère d’Ir(ppy)₃ (1 mg/mL dans du DMF) à l’aide d’une micropipette.
   3. Ajouter 0,45 mL de la solution mère de DDMAT (10 mg/mL dans du DMF) à l’aide d’une micropipette.
      REMARQUE : Les solutions mères d’Ir(ppy)₃ et de DDMAT ont été préparées à l’avance à leurs concentrations respectives et conservées au réfrigérateur sur une échelle de 1 à 3 ml.
3. Ajoutez 1,7 mL d’acrylate de méthyle dans un flacon de 20 mL et dissolvez-le dans 2 mL de DMSO frais à l’aide d’une micropipette.
   REMARQUE : La sonication peut être utilisée pour obtenir la formation d’une solution homogène.
4. Ajouter lentement la solution goutte à goutte dans la fiole de réaction.
5. Arrêtez de remuer, fermez le RBF avec un septum et dégazez pendant 15 min.
   1. Arrêtez de remuer et scellez solidement le RBF avec un septum.
   2. Connectez l’aiguille longue (dans la plage de 21 à 22G) à un collecteur d’alimentation en azote.
   3. Insérez la longue aiguille dans le septum pour atteindre la couche d’air interne du RBF.
   4. Insérez une aiguille courte (de l’ordre de 21 à 22 G) dans le septum pour créer une sortie.
   5. Ouvrez la valve d’azote et abaissez la longue aiguille au bas du RBF.
   6. Soulevez la longue aiguille après 15 minutes jusqu’à la couche d’air interne du RBF.
   7. Retirez d’abord l’aiguille courte, puis l’aiguille longue, en veillant à ce qu’aucun air extérieur ne pénètre dans le FBR.
   8. Fermez la vanne d’azote.
6. Initier la réaction sous une source lumineuse LED bleue (λ = 455 nm).
   1. Placez un photoréacteur LED à lumière bleue construit en interne sur une plaque d’agitation.
      REMARQUE : Le photoréacteur a été construit à l’aide d’une bande lumineuse LED flexible étanche de 12 V (Figure 2).
   2. Connectez l’alimentation, vérifiez l’émission de lumière et couvrez la partie supérieure avec du papier d’aluminium pour éviter une exposition excessive à la lumière bleue.
      REMARQUE : Ne le scellez pas complètement pour permettre à la chaleur générée lors de la polymérisation de s’échapper.
   3. Recommencer à remuer.
7. Éteignez la LED lorsque la viscosité de la solution réactionnelle augmente au point qu’elle ne peut plus être agitée.
8. Ajouter l’excès d’acétone dans le RBF, diluer le mélange et transférer dans un tube de 50 ml.
   1. Retirez le septum du RBF et ajoutez de l’acétone pour remplir l’espace.
   2. Remuer pendant environ 1 h pour obtenir un mélange homogène.
   3. Transférer le mélange dans un tube à centrifuger conique de 50 ml.
   4. Ajoutez de l’acétone fraîche au RBF et remuez pendant une heure supplémentaire pour récupérer les produits restants.
   5. Transférez le mélange dans le RBF dans le tube de 50 mL pour le combiner avec le mélange recueilli au début.
9. Remplissez jusqu’à 40 ml d’acétone et mélangez pour dissoudre le polymère libre.
10. Lavez le mélange jusqu’à ce qu’il n’y ait plus de polymère libre dissous dans l’acétone, puis remplacez le solvant par du toluène.
    1. Après la centrifugation et l’élimination du surnageant, ajuster le volume à 40 mL avec de l’acétone fraîche.
    2. Disperser les particules par sonication et vortex, suivi d’un autre cycle de centrifugation.
    3. Répétez l’opération jusqu’à ce qu’il n’y ait plus de polymère libre dissous dans le surnageant.
       REMARQUE : Un trempage toute la nuit dans de l’acétone fraîche après la dispersion peut être une méthode efficace pour faciliter la libération des polymères à longue chaîne.
11. Disperser les particules de produit dans 10 mL de toluène.
    1. Ajouter 5 mL de toluène au produit après élimination du surnageant.
    2. Dispersez les particules par sonication et vortex, puis transférez-les dans un nouveau tube à centrifuger conique de 15 ml.
    3. Ajoutez du toluène frais (5 ml) dans le tube de 50 ml pour disperser les particules restantes.
    4. Transférez la dispersion de toluène du tube de 50 mL dans le tube de 15 mL pour l’associer à la dispersion de toluène d’origine.
    5. Mélangez par vortex et sonication, puis stockez l’échantillon.
       REMARQUE : L’UiO-66-pMA dispersé de manière homogène est obtenu sous forme de suspension translucide. (Graphique 3)

3. Auto-assemblage des particules

1. Après centrifugation, dispersez les particules dans le toluène à un volume inférieur à 20 % de la quantité d’origine.
   1. Centrifuger la suspension de particules dispersées dans le toluène dans les mêmes conditions qu’à l’étape 1.1.3.
   2. Retirer le surnageant et ajouter du toluène pour obtenir un volume de suspension total de 1 à 2 mL.
      REMARQUE : La concentration appropriée peut varier en fonction de la taille de la boîte de Pétri utilisée, de la taille des particules et du poids moléculaire du polymère.
   3. Disperser complètement les particules par sonication.
2. Préparez une boîte de Pétri (60 mm de diamètre) en ajoutant de l’eau DI.
3. Déposer avec précaution environ 10 μL de dispersion de toluène (l’équivalent d’une seule gouttelette) sur la surface de l’eau DI.
   REMARQUE : N’ajoutez pas plus d’une gouttelette. Lors de l’ajout de la dispersion, l’outil utilisé peut être ajusté pour contrôler la taille des gouttelettes. La taille appropriée des gouttelettes peut varier en fonction de la taille de la boîte de Pétri, de la taille des particules et du poids moléculaire du polymère.
4. Placez le couvercle du plat dessus pour permettre au toluène de s’évaporer lentement.
5. Une fois que tout le toluène à la surface s’est évaporé et qu’une membrane monocouche s’est formée, retirez le couvercle.
6. Utilisez une boucle en fil de cuivre pour retirer soigneusement une partie de la monocouche.
   REMARQUE : Le fil de cuivre utilisé pour ramasser la monocouche doit être préparé pour avoir une forme plate et approximativement circulaire.
7. Après l’évaporation de l’eau associée restante, une monocouche autonome a pu être observée.
8. Pour vous préparer aux mesures d’images de microscopie électronique à balayage (MEB), prélevez soigneusement la monocouche formée à la surface de l’eau à l’aide d’un morceau de verre mince.

Résultats

Lorsque les MOF greffés en polymère sont doucement déposés sur l’eau à partir d’une dispersion concentrée de toluène (comme illustré sur la figure 4A), une monocouche se forme en quelques secondes avec un aspect irisé. De plus, l’utilisation d’un moule en fil de cuivre pour soulever cette monocouche et le séchage ultérieur de l’eau obtenue permettent la formation de SAMM autoportants (Figure 4B). Après avoir transféré la monocouche sur une lamelle de microscope en verre et l’avoir séchée, l’imagerie MEB montre des particules auto-assemblées (Figure 5). Sur la figure 5A, les particules forment une monocouche uniforme. La morphologie de l’UiO-66, qui est un octaèdre régulier (lorsqu’il est préparé dans certaines conditions de synthèse), apparaît légèrement plus arrondie en raison de la présence de la brosse polymère. De plus, la plupart des espaces entre les particules ne sont pas ouverts mais remplis de polymère. En observant la périphérie de la monocouche, on peut observer des zones qui peuvent refléter le processus d’auto-assemblage incomplet (Figure 5B), indiquant qu’elles n’ont pas encore complètement formé la monocouche. Au cours de cette étape, on peut noter le polymère étendu qui comble les espaces entre les particules. Lors du transfert de SAMM sur le verre pour les mesures MEB, il peut y avoir des cas où la monocouche est légèrement déplacée. Cependant, dans le cas de SAMM synthétisés avec succès, les particules ne se dispersent pas individuellement mais présentent un facteur de forme similaire à celui d’une membrane pliée (Figure 5C).

En revanche, si les particules de MOF greffées de polymères ne sont pas correctement préparées, des caractéristiques différentes sont observées par les images MEB (Figure 6). Si la dispersion des particules est insuffisante (c’est-à-dire pendant le processus de synthèse et les étapes qui impliquent un vortex ou une sonication), le regroupement des particules sous forme d’agrégats sera observé (figure 6A). En particulier, lors de la préparation de suspensions de particules hautement concentrées pour l’étape finale d’auto-assemblage, une attention particulière est nécessaire pour s’assurer que les particules sont bien dispersées dans une quantité minimale de toluène. De plus, comme le montre la figure 6B,C, les particules peuvent s’agréger en structures multicouches, au lieu des monocouches souhaitées. La génération de multicouches peut se produire en raison de plusieurs facteurs différents. Par exemple, si pendant le processus de polymérisation par greffage, le mélange réactionnel n’est pas suffisamment agité, cela peut entraîner une agrégation irréversible de particules qui ne permet pas la formation de dispersions homogènes dans le toluène. Une autre cause des multicouches est une concentration de particules dans la solution de toluène qui est trop élevée pour être accommodée par la surface d’eau limitée. Pour obtenir des SAMM disposés uniformément, il est essentiel de combiner correctement la taille de la parabole (c’est-à-dire la surface de l’eau exposée) et la concentration en suspension. Par exemple, lors de l’utilisation d’une boîte de Pétri de 60 mm de diamètre, une gouttelette de 10 μL d’une dispersion de 50 mg/mL permet la formation reproductible de SAMM.

Figure 1 : Greffage de polymères sur des particules de MOF. (A) Greffage à partir de la synthèse de ligands organiques de PMMA-g-GMA-UiO-66. (B) Greffe à partir de centres métalliques, synthèse d’UiO-66-pMA et leur auto-assemblage en monocouches MOF. La figure 1A a été adaptée de Molavi et ^al.14. Abréviations : MOF = Cadre métallo-organique ; GMA = méthacrylate de glycidyle ; UiO = Universitetet i Oslo ; THF = tétrahydrofurane ; DCM = dichlorométhane ; PMMA = poly(méthacrylate de méthyle) ; DDMAT = acide 2-(dodécylthiocarbonothioylthio)-2-méthylpropionique ; pMA = poly(acrylate de méthyle) ; DMSO = diméthylsulfoxyde de sodium. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : Cuve de réaction LED construite en interne et doublée de bandes LED bleues. La cuve de réaction a été fabriquée avec (A) un récipient en aluminium de 17 cm de diamètre et (B) une bande lumineuse LED flexible étanche de 12 V. Abréviation : LED = diode électroluminescente. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3 : Photographies de MOF vierges, fonctionnalisés en surface et greffés aux polymères. (A) UiO-66, MOF vierge, dans le méthanol, (B) UiO-66-DDMAT, MOF fonctionnalisé en surface, dans le DMSO, (C) UiO-66-pMA, MOF greffés aux polymères, dans le toluène. Abréviations : MOF = Cadre métallo-organique ; UiO = Universitetet i Oslo ; DDMAT = acide 2-(dodécylthiocarbonothioylthio)-2-méthylpropionique ; pMA = poly(acrylate de méthyle) ; DMSO = diméthylsulfoxyde de sodium. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4 : Photographies de SAMMs. (A) Des SAMM irisés se sont formés à l’interface air-eau. (B) SAMM autoportants suspendus à un fil de cuivre. Abréviations : MOF = cadres métallo-organiques ; SAMMs = monocouches de cadre métallo-organique auto-assemblées. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5 : Images MEB de SAMMs. (A) Particules disposées uniformément, formant une monocouche. (B) Auto-assemblage incomplet, observé sur les bords de la monocouche formée à l’interface air-eau. (C) Certaines parties bien formées de la monocouche peuvent se plier pendant le processus de transfert de la monocouche sur le verre. Barres d’échelle = 1 μm. Abréviations : SAMMs = monocouches de cadre métallo-organique auto-assemblées ; MEB = microscopie électronique à balayage. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 6 : Images MEB de SAMM formés de manière non uniforme. (A) Grappes agrégées. (B) Une structure multicouche non uniforme formée à partir d’une forte agrégation de particules. (C) La présence d’une surface rugueuse due à l’incapacité à former une monocouche uniforme. Abréviations : SAMMs = monocouches de cadre métallo-organique auto-assemblées ; MEB = microscopie électronique à balayage. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 7 : Photographies de MOF digérés à l’aide de HF. (A) UiO-66-pMA dispersé dans le toluène. (B) UiO-66-pMA digéré à l’aide de HF. Abréviations : MOF = cadres métallo-organiques ; HF = acide fluorhydrique ; UiO = Universitetet i Oslo ; pMA = poly(acrylate de méthyle). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Discussion

Il y a plusieurs étapes critiques où une attention particulière aux détails est nécessaire pour synthétiser avec succès des MOF greffés en polymère qui produiront des SAMMs. Tout d’abord, les monomères utilisés dans la polymérisation RAFT sont complétés par des inhibiteurs ou des stabilisants pendant le stockage pour prévenir la polymérisation indésirable (par exemple, l’hydroquinone ou l’éther monométhylique de l’hydroquinone, MEHQ). Pour éliminer ces additifs, une purification par distillation est nécessaire avant utilisation²². À l’étape 2.4 du protocole, il est essentiel de diluer le monomère d’acrylate de méthyle dans le DMSO avant de l’ajouter au mélange réactionnel contenant les particules de MOF greffées par CTA et le photocatalyseur. Une fois qu’une dispersion homogène du monomère d’acrylate de méthyle dans le DMSO est obtenue, cette solution peut être lentement ajoutée goutte à goutte dans le mélange réactionnel. La dilution du monomère empêche la polymérisation rapide de l’acrylate de méthyle, qui peut produire des particules impropres à la formation de SAMM. La synthèse SAMM dans le protocole implique des particules monodispersées d’UiO-66 d’une longueur de bord de 120 nm et des conditions de polymérisation qui conduisent à des longueurs de greffe de polymère de 1 500 unités répétées. Pour contrôler le poids moléculaire du polymère, il est essentiel d’ajuster le rapport entre le DDMAT et l’AM ajouté aux étapes 2.2 et 2.3 du protocole. Au cours du processus de polymérisation, il est crucial de s’assurer que le système réactionnel global maintient une molarité égale de concentration de monomères. Par exemple, si l’on vise à atteindre 3 000 unités répétées, il ne suffit pas de doubler la concentration de monomères, mais plutôt de réduire de moitié la quantité de DDMAT pour s’assurer que le rapport monomère/agent de transfert en chaîne s’aligne pour atteindre 3 000 unités répétées¹⁹.

De plus, lors de la formation du SAMM (étape 3.3 du protocole), il est crucial d’ajouter la solution concentrée de MOF greffée de polymère goutte à goutte, une goutte à la fois. Une solution correctement ajustée avec une concentration appropriée peut être utilisée pour former une monocouche bien tassée, suffisante pour une boîte de Pétri de 60 mm de diamètre, avec ~10 μL appliquée sous forme de gouttelette unique à partir d’une micropipette. Lorsque le toluène commence à s’évaporer (immédiatement après sa chute à la surface de l’eau), l’auto-assemblage se produit ; Le processus d’auto-assemblage ne doit pas être perturbé par l’ajout de gouttelettes de toluène. S’il n’est pas possible d’obtenir une monocouche avec la résistance souhaitée en utilisant une seule gouttelette de la solution, la concentration de la solution MOF doit être augmentée, ou l’utilisation d’une boîte de Pétri plus petite peut résoudre le problème.

Si la formation réussie de SAMM n’est pas obtenue après avoir résolu les problèmes ci-dessus, la qualité des particules de MOF greffées aux polymères doit être évaluée à l’aide de plusieurs techniques analytiques¹⁹. Une longueur de brosse polymère ou une densité de greffage insuffisantes peuvent empêcher la formation d’une monocouche robuste. La TGA peut être utilisée pour calculer la proportion de polymères et de MOF dans l’échantillon. En règle générale, le pMA se décompose à ~350-400 ^°C²³, ce qui permet de différencier le composant MOF (qui se décompose à une température plus élevée) dans une analyse TGA. Les particules de MOF greffées de polymères synthétisées dans les conditions de ce protocole contiennent environ 30 % en poids de fraction polymère. La GPC est un outil utile pour mesurer le poids moléculaire du polymère ; cependant, pour analyser le polymère greffé sur des MOF, il est nécessaire de détacher le polymère de la surface. Cela peut être accompli en digérant les particules d’UiO-66 greffées dans un polymère à l’aide d’acide fluorhydrique (HF), puis en isolant et en analysant le composant polymère organique (Figure 7). Avertissement de sécurité : Les HF sont hautement toxiques et corrosifs, nécessitant une manipulation soigneuse. Un EPI approprié doit être porté avant utilisation. Cela devrait inclure, au minimum : des lunettes de protection, du caoutchouc butyle, du néoprène ou des gants tripolymères trioniques MAPA, une blouse de laboratoire et des chaussures fermées. Les polymères correctement synthétisés basés sur le protocole décrit ici ont généralement des poids moléculaires compris entre 90 et 130 kDa (~1 500 unités répétées).

Le protocole fourni ici décrit une méthode de construction de SAMM autonomes. Cette forme de composite MOF-polymère peut devenir une approche précieuse pour améliorer l’utilité des MOF dans diverses applications, y compris dans les revêtements et les membranes.

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Acide 2-(dodécylthiocarbonothioylthio)-2-méthylpropionique (DDMAT)	Sigma-Aldrich	723010	98%
10 mL Col unique RBF	Chemglass	CG-1506-82	14/20 Joint extérieur
Acétone	Fisher Chemical	A18-20	Centrifugeuse
Allegra X-30R	BECKMAN COULTER	B06320	Capacité maximale de 1,6 L, 18 000 tr/min, 29 756 x g
Mélangeur Vortex Analogique	VWR	10153-838	300 - 3 200 tr/min
cat-DDMAT			Préparé selon la procédure de la littérature (réf. 17).
Tube à centrifuger, 50 mL / 15 mL	CORNING	430291 / 430766	Fond conique avec bouchon d’étanchéité, polypropylène
Chloroforme	Fisher Chemical	AC423550040	99,8
Aiguilles conventionnelles	Becton Dickinson	382903051670	21 G x 1 1/2
Fil de cuivre	Malin Co.		N° 30 B & S GAUGE
Dimethyl Sulfoxide (DMSO)	Fisher Bioreagents	BP231-1	>=99.7 %
Pipettes Pasteur jetables	Fisher Scientific	13-678-20C	Verre borosilicaté
Éthanol	KOPTEC	V1001	200 proof ethanol
Flacon à scintillation en verre, 20 mL	KIMBIL	74508-20
Cylindre gradué, 10 mL	KIMBIL	20024-10
Aiguilles hypodermiques	Air-Tite	N224	22 g x 4''
Méthanol	Fisher Chemical	A412-20	99,8 %
Acrylate de méthyle	Aldrich Chemistry	M27301 99	%, contient =< 100 ppm d’éther monométhylique hydroquinone comme inhibiteur
Micropipette P10 (1 - 10 µ ; L)	GILSON	F144055M	PIPETMAN, Micropipette à éjection métallique
P1000 (100 - 1 000 & micro ; L)	GILSON	F144059M	PIPETMAN, Micropipette à éjection métallique
P20 (2 - 20 µ ; L)	GILSON	F144056M	PIPETMAN,
Verre de protection de microscope	Fisher Scientific	12542A	18 mm x 18 mm
NN-Dimerhylformamide (DMF)	Fisher Chemical	D119-4	99.8 %
Boîte de Pétri, Couvercle empilable	Fisher Scientific	FB0875713A	60 mm x 15 mm
Septum Stopper	Chemglass	CG302401	14/20 - 14/35
Barre	d’agitation Chemglass	CG-2005T-01	Magnétique, PTFE, Turbo, Terre rare, Elliptique, 10 x 6mm
SuperNuova+ Plaque chauffante	d’agitation	Thermo Scientific SP88857190	50 - 1 500 tr/min, 30 - 450 ° ; C
Toluène	Fisher Chemical	T324-4	99,5 %
Tris[2-phénylpyridinato-C2,N]iridium(III) (Ir(ppy)3)	Sigma-Aldrich	688096	97 %
UiO-66 (longueur de bord de 120 nm)			Préparé selon la procédure de la littérature (réf. 18).
Nettoyeur à ultrasons CPX3800H	EMERSON / BRANSON	CPX-952-318R	40 kHz, 5.7 L
Bande lumineuse LED flexible étanche	ALITOVE	ALT-5B300WPBK	16.4 ft 5050 LED bleue