הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

סינתזת קילוף של פוספטים זירקוניום Discotic להשיג קריסטלים קולואיד נוזלים

8.3K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/53511

⸱

25 במאי 2016

 ,  ,  , 
1Department of Materials Science and Engineering, Texas A&M University, 2Artie McFerrin Department of Chemical Engineering, Texas A&M University, 3Mary Kay O'Connor Process Safety Center, Texas A&M University, 4Professional Program in Biotechnology, Texas A&M University

במאמר זה

סיכום

פותח חומר מודל דו-ממדי של זירקוניום פוספט דיסקוטי. הגביש האנאורגני בעל המבנה הלמלרי סונתז בשיטות הידרותרמיות, ריפלוקס ומיקרוגל. בפילינג עם מולקולות אורגניות, ניתן להמיר גבישים שכבתיים לחד-שכבות, ונוצר שלב גביש נוזלי נמטי בריכוז מספיק של חד-שכבות.

תקציר

בשל שכיחותם בחימר טבעי ויישומים פוטנציאליים בחומרים מתקדמים, ננו-חלקיקים דיסקוטיים מעניינים מדענים ומהנדסים. גידול של ננו-גבישים אנזוטרופיים כאלה באמצעות שיטה כימית פשוטה הוא משימה מאתגרת. במחקר זה, אנו מייצרים ננו-דיסקים דיסקוטיים של זירקוניום פוספט [Zr(HPO4)2·H2O] כחומר מודל בשיטות הידרותרמיות, ריפלוקס ומיקרוגל. צמיחת הגבישים נשלטת על ידי משך הזמן, הטמפרטורה והריכוז של המינים המגיבים. החידוש בשיטות שאומצו הוא שניתן להשיג גבישים דיסקוטיים בגודל שנע בין מאה ננומטר לכמה מיקרומטרים תוך שמירה על הפיזור הרב בשליטה. הגבישים הדיסקוטיים השכבתיים מומרים לחד-שכבות על ידי פילינג עם טטרה-(n)-בוטיל אמוניום הידרוקסיד [(C4H9)4NOH, TBAOH]. דיסקים מקולפים מראים שלבי גביש נוזלי איזוטרופיים ונמטיים. גודל ופיזור פולי של מתלי דיסק חשובים ביותר בקביעת התנהגות הפאזה שלהם.

מבוא

קולואידים Discotic נמצאים בשפע באופן טבעי בצורה של חימר, asphaltene, תאי דם אדומים, צדף. מגוון של יישומים במערכות הנדסה רבות, כוללים ננו-חומרים פולימריים 1, חומרים ביומימטיים, ממברנות פונקציונליים 2, מחקרי גביש נוזל discotic 3 ומייצבי אמולסיה פיקרינג 4 מפותחים על בסיס nanodisks קולואידים discotic. Nanodisks עם אחידות polydispersity נמוך חשוב לחקר שלבים ותמורות של גבישים נוזליים. פוספט זירקוניום (ZRP) הוא nanodisks סינטטי עם מבנה מרובד מטוכס ו יחס ממדים לשליטה (עובי מעל קוטר). לכן, החקר של סינתזה שונה של ZRP עוזר לבסס הבנה בסיסית של מערכת גביש הנוזלת discotic.

מבנה ZRP הוברר ידי Clearfield ו Stynes ​​ב -1964 5. לסינתזה של גבישים שכבתיים של ZRP, הידרותרמיות ושיטות ריפלוקס מאומצות 6,7 נפוצה. שיטת הידרותרמיות נותנת שליטה טובה על גודל הנע בין 400 ל -1,500 ננומטר polydispersity בתוך 25% 6, בעוד שיטת ריפלוקס נותנת גבישים קטנים עבור אותו משך הזמן. חימום במיקרוגל הוכח להיות שיטה מבטיחה עבור סינתזה של ננו 8. עם זאת, אין מאמרים המתארים סינתזה של ZRP מבוסס על מסלול מיקרוגל בסיוע. השליטה האפקטיבית על גודל, יחס גובה-רוחב, ואת המנגנון של גידול גבישים על ידי שיטת הידרותרמיות נחקרה באופן שיטתי על ידי הקבוצה שלנו 6.

ZRP ניתן מודבק בקלות לתוך monolayers ב השעיות מימיות, ואת ZRP המודבק הוקם גם חומרי גביש נוזליים בקבוצה של צ 'נג 3,9-13. עד כה, nanodisks ZRP מודבק בקטרים ​​שונים, אומר היבט ratios שונים, נחקרו להסיק גדול ZRP היה לי (איזוטרופיים) -N (Nematic) המעבר ב con נמוךcentration לעומת קטן ZRP 3. Polydispersity 3, מלח 9 וטמפרטורת 10,11 השפעות על ההיווצרות של שלב גביש הנוזל Nematic נשקלו גם. יתר על כן, בשלבים אחרים, כגון לשלב גביש נוזל sematic, נחקרו גם 13,14.

במאמר זה, אנחנו מדגימים מימוש ניסיוני של השעיה nanodisks כגון קולואידים ZRP. גבישי ZRP Layered מסונתזים באמצעות שיטות שונות, ולאחר מכן הם מודבקים בהמדים מהימיים להשיג nanodisks בשכבה. בסוף, אנחנו מראים מעבר פאזה גביש נוזלי שהפגינו מערכת זו. היבט בולט של הדיסקים האלה הוא הטבע איזוטרופי ביותר שלהם כי עובי יחס קוטר הוא בטווח של 0,0007 כדי 0.05 תלוי בגודל של דיסקים 3. Nanodisks בשכבה איזוטרופי מאוד להקים מערכת מודל ללמוד מעבר פאזה ב השעיות של nanodisks.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

1. סינתזה של α-ZRP שימוש הידרותרמיות שיטה

  1. ממיסים 6 גרם של octahydrate כלוריד zirconyl (ZrOCl 2 · 8H 2 O) ב 3.75 מ"ל deionized (DI) מים 150 מ"ל עגול הבקבוק התחתון.
  2. להוסיף 48 מ"ל של 15 M חומצה זרחתית (H 3 PO 4) dropwise לפתרון ZrOCl 2 מוכן בשלב 1.1 ואחריו הוספת 8.25 מ"ל deionized (DI) מים תחת בחישה נמרצת.
  3. יוצקים וכתוצאה תערובת דמוי ג'ל לתוך כלי הלחץ מצופה טפלון של נפח 80 מ"ל. מניח את הכלי לתוך החיטוי הידרותרמיות מורכב פגז נירוסטה ומכסה, צלחת לחץ ואז להדק היטב.
  4. מניחים את החיטוי הידרותרמיות לתוך תנור הסעה ב 200 מעלות צלזיוס למשך 24 שעות.
  5. לאחר התגובה, לאפשר החיטוי הידרותרמיות להתקרר 8 שעות לטמפרטורת החדר תחת קירור הסביבה.
  6. אסוף דיסקים-ZRP α בצינור צנטריפוגות לאחר קירור באמצעות צנטריפוגות ב 2,XG 500 במשך 10 דקות. אסוף החלק הנוזלי במיכל סילוק פסולת מאז הנוזל supernatant מכיל חומצה זרחתית unreacted שהוא מאכל.
    1. לאחר מכן, להוסיף 40 מ"ל של מים אלפא-ZRP, מערבולת דקות 1 ו צנטריפוגות ב 2500 XG במשך 10 דקות שוב. חזור על פעולה זו 3 פעמים על מנת להבטיח כי כל החומצה הוא נשטף.
  7. ZRP-מים ​​יבש תערובת דביקה בתנור על 65 מעלות צלזיוס למשך 8 שעות ולאחר מכן לטחון אותו באמצעות מכתש ועלי.

2. סינתזה של α-ZRP ידי Reflux שיטה

  1. מערבבים 6 גרם של ZrOCl 2 · 8H 2 O עם 50 מ"ל של 12 M חומצה פוספט בתוך 150 מ"ל עגול הבקבוק התחתון.
  2. התערובת המוכנה בשלב 2.1 היא ריפלוקס באמבט שמן ב 94 מעלות צלזיוס למשך 24 שעות.
  3. שטוף את המוצר עם מים די שלוש פעמים הבאות באותו פרוטוקול בשלב 1.6, ולאחר מכן מיובש בתנור על 65 מעלות צלזיוס למשך 8 שעות.
  4. טוחנים יבשים מדגם מגושם לאבקה באמצעות מכתש ועלי, ו- F המניותאו מאוחר יותר לשימוש.

3. סינתזה של α-ZRP ידי מיקרוגל בסיוע שיטה

  1. הוסף 1 גרם של ZrOCl 2 · 8H 2 O ל -9 מ"ל של 12 M פתרון חומצה זרחתית, ומערבבים את התערובת וכתוצאה מכך גם ב בקבוקון הנצנץ 20 מ"ל.
  2. יוצקי 5 מיליליטר של התערובת מעל לכלי זכוכית 10 מ"ל שצוין עבור כור מיקרוגל.
  3. טמפרטורת תגובה שוכנת בגובה 150 מעלות צלזיוס, להגביל לחץ ב 300 psi ולאפשר התגובה לקרות במשך שעה 1.
  4. לאחר התגובה, לתת כלי זכוכית להתקרר במשך כ -15 דקות ולאחר מכן בצע את ההליך כמו שלבים 1.6-1.7 לשטיפת חומצה וייבוש של גבישים-ZRP α.

השרה 4. Layered α-ZRP לתוך monolayers

  1. לפזר 1 גרם של α-ZRP לתוך 10 מ"ל מים DI בבקבוקון נצנץ 20 מ"ל.
  2. להוסיף 2.2 מ"ל של TBAOH (40 wt.%) אליו מערבולת של שניות 40 לפחות. שים לב כי יחס טוחן של Zr: TBAOH נשמר כמו 1: 1.
  3. Sonicate ההשעיה המרוכזת וכתוצאה מכך במשך 1-2 שעות ולהשאיר למשך 3 ימים כדי לאפשר עיבור מלא יפורסם + יונים ואת שרה מלאה של גבישים. לחלופין, השעיה מרוכזת יכולה להיות מדוללת (2 עד 3 פעמים דילול) עם מים כדי להשיג קילוף טוב יותר.
  4. צנטריפוגה דגימות המודבקות במהירות סיבוב גבוהה (2,500 XG) במשך שעה 1 כדי להסיר גבישים מודבקים חלקית התיישבו בחלק התחתון. אסוף את החלק העליון (מודבק ZRP) במיכל אחר, לחזור על התהליך עד אין משקעים נמצא.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

1a-c איור להראות SEM תמונות של nanodisks-ZRP α המתקבל הידרותרמיות, ריפלוקס, ושיטות בסיוע מיקרוגל, בהתאמה. היה נראה כי nanodisks-ZRP α להראות משושה בכושר ועובי שונה בהתאם לתנאי סינתזה ושיטות מוכנות. מחקר שדווח בעבר מקבוצתנו 6 עולה כי בפעם הצמיחה קריסטל 48 שעות ומעלה, קצה הדיסקים להיות חד יותר. בדרך כלל, התשואות שיטת ריפלוקס nanodisks קטנים יותר ופחות משושה קבוע בכושר מאשר α-ZRP מתקבל על ידי שיטת הידרותרמיות בתנאי תגובה דו...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

שיטת ריפלוקס היא אפשרות טובה עבור ביצוע גודל קטן יותר של α-ZRP בקוטר ועובי אחיד. בדומה לשיטת הידרותרמיות, שיטת ריפלוקס היא מוגבלת על ידי זמן ההכנה. באופן כללי, זה לוקח זמן רב יותר עבור לגבישים לגדול.

שעת התגובה הארוכה יותר נדרשת לשיטת ריפלוקס עלולה לגרום nanodisks עם גודל גדול יותר. הגודל הממוצע של nanodisks מודבק נמדד על ידי פיזור אור דינאמי (DLS). במחקר זה, את גודל nanodisks ZRP ולא יבש הוא 1021.5 ננומטר עם 19....

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

אין מה לחשוף.

תודות

עבודה זו נתמכת באופן חלקי על ידי NSF (DMR-1006870) ונאס"א (NASA-NNX13AQ60G). X. Z. Wang מודה על תמיכתו של המרכז לבטיחות תהליכים ע"ש מרי קיי או'קונור (MKOPSC) באוניברסיטת טקסס A&M. אנו מודים גם למין שואי על ההדרכה שלה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
<חזק>חומר
זירקוניל כלוריד אוקטהידראטפישר סיינטיפיק (Acros Organics)AC20837-500098% +
o-חומצה זרחתיתFischer ScientificA242-1≥ 85%
טטרה בוטיל אמוניום הידרוקסידAcros Organics (Acros Organics)AC17661002540% משקל (1.5  M)
<חזק>ציוד
תנור תגובהFischer ScientificCL2 צנטריפוגהתנור איזוטמפרטורה (טמפרטורה עד 350  ° ג)
צנטריפוגהתרמו מדעיתלא זמינהמהירות סיבוב: 100 - 4,000 סל"ד
כור מיקרוגלCEM CorporationDiscover and Explorer SPTemp. עד 300  ° C, הספק עד 300  W, לחץ עד 30  באר

מקורות

  1. Usuki, A., Hasegawa, N., Kato, M. Polymer-clay nanocomposites. Adv Polym. 179, 135-195 (2005).
  2. Varoon, K., et al. Dispersible Exfoliated Zeolite Nanosheets and Their Application as a Selective Membrane. Science. 334, 72-75 (2011).
  3. Mejia, A. F., et al. Aspect ratio and polydispersity dependence of isotropic-nematic transition in discotic suspensions. Phys. Rev. E. 85, (1-12) 061708(2012).
  4. Bon, S. A. F., Colver, P. J. Pickering miniemulsion polymerization using Laponite clay as a stabilizer. Langmuir. 23, 8316-8322 (2007).
  5. Clearfield, A., Stynes, J. A. The preparation of crystalline zirconium phosphate and some observations on its ion exchange behaviour. J. Inorg. Nucl. Chem. 26, 117-129 (1964).
  6. Shuai, M., Mejia, A. F., Chang, Y. W., Cheng, Z. Hydrothermal synthesis of layered alpha-zirconium phosphate disks: control of aspect ratio and polydispersity for nano-architecture. Crystengcomm. 15, 1970-1977 (2013).
  7. Sun, L., Boo, W. J., Sue, H. -J., Clearfield, A. Preparation of α-zirconium phosphate nanoplatelets with wide variations in aspect ratios. New J. Chem. 31, 39-43 (2007).
  8. Gawande, M. B., Shelke, S. N., Zboril, R., Varma, R. S. Microwave-sssisted chemistry: synthetic applications for rapid assembly of nanomaterials and organics. Accounts Chem. Res. 47, 1338-1348 (2014).
  9. Chang, Y. -W., Mejia, A. F., Cheng, Z., Di, X., McKenna, G. B. Gelation via Ion Exchange in Discotic Suspensions. Phys. Rev. Lett. 108, (1-5) 247802(2012).
  10. Wang, X., et al. Thermo-sensitive discotic colloidal liquid crystals. Soft Matter. 10, 7692-7695 (2014).
  11. Li, H., Wang, X., Chen, Y., Cheng, Z. Temperature-dependent isotropic-to-nematic of charged nanoplates. Phys. Rev. E. 90, (1-4) 020504(2014).
  12. Chen, M., et al. Observation of isotropic-isotropic demixing in colloidal platelet-sphere mixtures. Soft Matter. 11 (28), 5775-5779 (2015).
  13. Sun, D., Sue, H. -J., Cheng, Z., Martinez-Raton, Y., Velasco, E. Stable smectic phase in suspensions of polydisperse colloidal platelets with identical thickness. Phys. Rev. E. 80, (1-6) 041704(2009).
  14. Wong, M., et al. Large-scale self-assembled zirconium phosphate smectic layers via a simple spray-coating process. Nat. Commun. 5, 3589(2014).
  15. Diaz, A., et al. Zirconium phosphate nano-platelets: a novel platform for drug delivery in cancer therapy. Chem. Commun. 48, 1754-1756 (2012).
  16. Kim, H. -N., Keller, S. W., Mallouk, T. E., Schmitt, J., Decher, G. Characterization of zirconium phosphate/polycation thin films grown by sequential adsorption reactions. Chem. Mater. 9, 1414-1421 (1997).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

זרקוניום פוספטשיטה הידרותרמיתשיטת רפלוקססיוע במיקרוגליםננו-דיסקים דיסקוטייםטכניקת קילוףטטרבוטיל-אמוניום הידרוקסידפאזות של גבישים נוזלייםמיקרוסקופיה אלקטרונית סורקתמיקרוסקופיה אלקטרונית חודרת
סינתזת קילוף של פוספטים זירקוניום Discotic להשיג קריסטלים קולואיד נוזלים
צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.