Préparation de nanofeuillets carbone à température ambiante

Le procédé présenté permet la préparation chimique humide à basse température de nanofeuilles de carbone par l’auto-assemblage de nouvelles molécules amphiphiles en tant que précurseurs réactifs et leur carbonatisation ultérieure à température ambiante. Généralement, la préparation de nanostructures de carbone nécessite des températures ou des pressions élevées, et un contrôle de la morphologie et de la fonctionnalisation chimique des carbones préparés est difficile à réaliser dans de telles conditions. L’approche développée ne nécessite qu’une irradiation UV à température ambiante pour fournir des nanofeuilles de carbone avec des dimensions moléculairement définies inférieures à deux nanomètres et des dimensions latérales de l’ordre du centimètre.

Pour y parvenir, nous avons préparé des molécules qui sont des sœurs réactives et riches en carbone des amphiphiles d’acides gras typiques et qui sont conçues pour s’auto-assembler à l’interface air-eau en monocouches. La monocouche présente un ensemble dense de fractions hexayne et la carbonatation des films donne un matériau autrement obtenu uniquement à des températures supérieures à 800 degrés Celsius. Pour commencer, dissolvez 208 milligrammes d’hexayane protégé dans 15 millilitres de dichlorométhane dans une fiole Schlenk de 100 millilitres sous atmosphère inerte.

Ensuite, ajoutez 10 millilitres de méthanol. Protégez le ballon de la lumière avec du papier d’aluminium et ajoutez du méthanolate de sodium. Après avoir agité le mélange obtenu pendant 30 minutes à température ambiante, diluez avec 15 millilitres de dichlorométhane et transférez-le dans un entonnoir séparateur.

Ensuite, laver une fois avec une solution aqueuse de chlorure d’hydrogène d’une molaire, et une fois avec une solution aqueuse saturée de chlorure de sodium. Transférez la phase organique dans un erlenmeyer et séchez-la sur 30 grammes de sulfate de sodium. Après avoir filtré la phase organique, concentrez le filtrat sous vide.

Purifier le produit brut par chromatographie sur colonne pour isoler l’hexayne amphiphile sous forme de solution jaune. Conservez le produit de cette réaction sous forme de solution diluée dans du dichlorométhane afin de minimiser toute décomposition. Étaler une aliquote de 100 microlitres de la solution mère diluée de l’hexayne amphiphile sur de l’eau ultrapure dans une auge de Langmuir comprenant un dispositif de spectroscopie d’absorption par réflexion infrarouge.

Laissez l’auge Langmuir s’équilibrer pendant 15 minutes en laissant le solvant s’évaporer. Comprimez la couche à une pression de surface d’un millinewton par mètre avec un taux de compression constant de cinq angströms par molécule et par minute en réduisant la surface de la fosse de Langmuir avec les barrières. Surveillez la pression de surface à l’aide de la microbalance de pression de surface à l’aide d’une plaque de Wilhelmy en papier filtre et réglez les barrières de l’auge de Langmuir de manière à ce qu’une pression de surface d’un millinewton par mètre soit maintenue.

Enregistrez un spectre IR avec une lumière polarisée p à un angle d’incidence de 40 degrés. Comprimez la couche à un taux de compression constant de cinq angströms par molécule et par minute en réduisant davantage la surface de l’auge de Langmuir avec les barrières de sorte que des pressions de surface de trois, puis cinq et enfin huit millinewtons par mètre soient obtenues comme indiqué par le microbilan de pression de surface. Enregistrez des spectres avec une lumière polarisée p à un angle d’incidence de 40 degrés pour chacune de ces pressions de surface.

Retirez avec précaution la boîte renfermant l’auge Langmuir. Montez la lampe UV sur un support et placez-la à environ 50 centimètres de la surface de l’eau, tout en vous assurant que l’interface est recouverte par le cône de lumière UV. Après avoir vérifié que la monocouche est toujours comprimée à une pression de surface de huit millinewtons par mètre, mesurée par la microbalance de pression de surface, réglez les barrières de l’auge de Langmuir de manière à ce qu’elles soient fixées à la position actuelle.

Exposez l’interface air-eau à la lumière UV. Surveiller et enregistrer la variation de la pression de surface à l’aide de la microbalance de pression de surface équipée d’une plaque Wilhelmy en papier filtre tout au long de l’irradiation. Arrêtez l’irradiation en éteignant la lampe après un total de 40 minutes d’irradiation.

Enfermez l’auge Langmuir dans la boîte scellée afin d’éviter une contamination de l’interface avant de laisser la configuration s’équilibrer pendant 30 minutes. Ensuite, réglez les barrières de l’auge de Langmuir pour maintenir la pression de surface observée par le microbalance de pression de surface après irradiation. Enregistrez un spectre IR avec une lumière polarisée p à un angle d’incidence de 40 degrés.

Installez deux substrats en saphir préalablement nettoyés avec deux paires de pinces fixées à un bras mécanique. Immergez les substrats dans la sous-phase et nettoyez soigneusement l’interface air-eau avant d’épandre. Étaler soigneusement une aliquote de 100 microlitres de la solution mère diluée de l’hexayne amphiphile dans du chloroforme DCM sur de l’eau ultrapure dans l’auge de Langmuir.

Laissez l’auge Langmuir s’équilibrer pendant 15 minutes, en laissant le solvant s’évaporer. Comprimez la couche à une pression de surface de huit millinetwons par mètre avec un taux de compression constant de cinq angströms par molécule et par minute en réduisant la surface de la fosse de Langmuir avec les barrières. Surveillez la pression de surface à l’aide de la microbalance de pression de surface équipée d’une plaque Wilhelmy en papier filtre et réglez les barrières de l’auge de Langmuir de manière à ce qu’une pression de surface de huit millinewtons par mètre soit maintenue.

Pour transférer la monocouche non carbonisée sur un substrat de saphir, maintenez la monocouche à une pression de surface de huit millinewtons par mètre et tirez le bras mécanique vers le haut à une vitesse de 1,2 millimètre par minute jusqu’à ce que le premier substrat soit complètement retiré de la sous-phase. Le deuxième substrat doit rester immergé dans la sous-phase. Récupérez soigneusement le premier substrat portant la couche non carbonisée de la paire de pinces à épiler, rangez-le à l’abri de la lumière et utilisez-le pour l’application prévue si nécessaire.

Montez la lampe UV sur un support et placez-la à environ 50 centimètres de la surface de l’eau tout en vous assurant que l’interface est couverte par le cône de la lumière UV. Assurez-vous que la monocouche est toujours comprimée à une pression de surface de huit millinewtons par mètre et fixez la position des barrières. Exposer l’interface air-eau à la lumière UV tout en surveillant et en enregistrant la variation de la pression de surface mesurée par la microbalance de pression de surface tout au long de l’irradiation.

Après un total de 40 minutes d’irradiation, arrêtez l’irradiation en éteignant la lampe. Afin de transférer le film carbonisé sur un substrat de saphir, réglez les barrières de la fosse de Langmuir de manière à ce que la pression de surface mesurée après irradiation soit maintenue. Tout en maintenant la pression de surface constante, rétractez le bras mécanique qui maintient le substrat de l’interface à une vitesse de 1,2 millilitre par minute jusqu’à ce que le substrat soit complètement retiré de la sous-phase.

Récupérez avec précaution le substrat portant la couche carbonisée de la paire de pinces à épiler. La résonance magnétique nucléaire au carbone 13, ou spectre RMN, de l’amphiphile hexayne, montre les signaux pour tous les atomes de carbone hybridés 12 sp. La compression d’une couche de l’amphiphile hexayne à l’interface air-eau donne lieu à une isotherme de surface de pression de surface montrant deux phases, avec une forte pente séparée par un plateau fortement incliné.

On voit ici les spectres IRRA du film amphiphile hexayne comprimé à des pressions de surface comprises entre un millinewton par mètre et huit millinewtons par mètre. Une comparaison des spectres IRRA d’un film d’amphiphile réactif riche en carbone avant l’irradiation ultraviolette, affiché en bleu, et après l’irradiation ultraviolette, affiché en rouge, montre que les bandes des hexaynes disparaissent complètement. On voit ici des expériences de microscopie à angle de Brewster avec un film d’amphiphile à l’interface air-eau avant et après la carbonatation par irradiation UV.

Après l’irradiation UV, un net changement de texture du film est observé et les films carbonisés peuvent se rompre, laissant de grandes îles flottantes à l’interface air-eau. Une image de microscopie électronique à balayage d’une nanofeuille de carbone après transfert de Langmuir-Schaefer sur une grille TEM en carbone Holey, prise au bord des nanofeuilles de carbone, montre des drapés et des rides. Une fois maîtrisée, cette technique peut être utilisée pour préparer des nanofeuilles de carbone d’une épaisseur inférieure à deux nanomètres, et de dimensions latérales étendues qui ne sont limitées que par la taille de l’auge de Langmuir disponible.

Lors de la tentative de cette procédure, il est important de nettoyer soigneusement l’interface air-eau et de calibrer la configuration expérimentale avant toute expérience. Et n’oubliez pas que l’hexayne amphiphile est très réactif et que des précautions, telles que le protéger de la lumière, doivent être prises pour éviter une carbonatation prématurée. Après son développement, cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans les domaines des revêtements de surface ou des emballages pour explorer les nanofeuilles de carbone en tant que couches protectrices dans les composites avec d’autres matériaux.