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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Viene fornito un protocollo per la sintesi e la caratterizzazione di monostrati di strutture metallo-organiche autoassemblate utilizzando cristalli di struttura metallo-organica (MOF) innestati in polimero. La procedura mostra che le particelle MOF innestate con polimero possono essere auto-assemblate in un'interfaccia aria-acqua, dando luogo a strutture monostrato ben formate, autoportanti, come evidenziato dall'imaging al microscopio elettronico a scansione.
Le strutture metallo-organiche (MOF) sono materiali con potenziali applicazioni in campi come l'adsorbimento e la separazione dei gas, la catalisi e la biomedicina. I tentativi di migliorare l'utilità dei MOF hanno comportato la preparazione di vari compositi, inclusi i MOF innestati con polimero. Innestando direttamente i polimeri sulla superficie esterna dei MOF, è possibile superare i problemi di incompatibilità tra polimeri e MOF. Le spazzole polimeriche innestate dalla superficie dei MOF possono servire a stabilizzare il MOF, consentendo al contempo l'assemblaggio di particelle in monostrati autoassemblati di strutture metallo-organiche (SAMM) tramite interazioni polimero-polimero.
Il controllo sulla composizione chimica e sul peso molecolare del polimero innestato può consentire la messa a punto delle caratteristiche SAMM. In questo lavoro, vengono fornite istruzioni su come immobilizzare un agente di trasferimento a catena (CTA) sulla superficie del MOF UiO-66 (UiO = Universitetet i Oslo). Il CTA funge da sito di iniziazione per la crescita dei polimeri. Una volta che le catene polimeriche sono cresciute dalla superficie MOF, la formazione di SAMM si ottiene attraverso l'autoassemblaggio in un'interfaccia aria-acqua. I SAMM risultanti sono caratterizzati e hanno dimostrato di essere indipendenti mediante imaging al microscopio elettronico a scansione. Si prevede che i metodi presentati in questo articolo rendano la preparazione dei SAMM più accessibile alla comunità di ricerca e quindi espandano il loro potenziale utilizzo come composito MOF-polimero.
Le strutture metallo-organiche (MOF) sono materiali cristallini e porosi che offrono ampie superfici pur essendo facilmente sintonizzabili attraverso modifiche dei leganti organici o dei nodi metallici 1,2. I MOF sono costituiti da due componenti: un ligando organico e ioni metallici (o cluster di ioni metallici denominati unità edilizie secondarie, SBU). I MOF sono stati studiati per lo stoccaggio di sostanze chimiche (ad esempio, gas), le separazioni, la catalisi, il rilevamento e la somministrazione di farmaci. Generalmente, i MOF sono sintetizzati sotto forma di polveri cristalline; Tuttavia, per facilitare la manipolazione in molte applicazioni, è auspicabile la formulazione in altri fattori di forma, se non necessaria 3,4. Ad esempio, le membrane a matrice mista (MMM) di MOF con polimeri sono state riportate come un composito particolarmente utile di MOF e polimeri5. Tuttavia, in alcuni casi, gli MMM possono avere limitazioni dovute all'incompatibilità/immiscibilità tra MOF e componenti polimerici 5,6. Pertanto, sono state esplorate strategie per incorporare l'innesto polimerico direttamente sulle particelle MOF per formare MOF innestati con polimero.
Le nanoparticelle inorganiche e metalliche mostrano un comportamento unico in termini di proprietà ottiche, magnetiche, catalitiche e meccaniche 7,8. Tuttavia, tendono ad aggregarsi facilmente dopo la sintesi, il che può ostacolare la loro lavorabilità. Per migliorarne la lavorabilità, le catene polimeriche possono essere innestate sulla superficie delle particelle9. Le nanoparticelle con un'elevata densità di innesto offrono un'eccellente dispersione e stabilità grazie alle interazioni entalpiche favorevoli tra i polimeri di superficie e le interazioni di repulsione entropica e solvente tra le particelle10. L'innesto di polimeri su superfici di particelle può essere ottenuto attraverso una varietà di strategie11. L'approccio più semplice è la strategia dell'innesto su particelle, in cui gruppi funzionali, come i tioli o gli acidi carbossilici, vengono introdotti alle estremità delle catene polimeriche per legarsi direttamente alla nanoparticella. Quando gruppi chimici complementari, come ossidrili o epossidi, sono presenti sulla superficie delle particelle, le catene polimeriche possono essere innestate su questi gruppi tramite approcci chimici covalenti12,13. Il metodo di polimerizzazione "innesto da" particelle o superficialità prevede l'ancoraggio di iniziatori o agenti di trasferimento a catena (CTA) sulla superficie delle nanoparticelle e quindi la crescita di catene polimeriche sulla superficie delle particelle attraverso la polimerizzazione avviata dalla superficie. Questo metodo spesso raggiunge una densità di innesto più elevata rispetto all'approccio "innesto". Inoltre, l'innesto consente la sintesi di copolimeri a blocchi, ampliando così la diversità delle strutture polimeriche che possono essere immobilizzate sulla superficie di una particella.
Esempi di innesto polimerico su particelle di MOF hanno iniziato ad emergere, in gran parte focalizzati sull'installazione di siti di polimerizzazione sui leganti organici del MOF. In un recente studio pubblicato da Shojaei e collaboratori, i gruppi vinilici sono stati attaccati in modo covalente ai ligandi di MOF UiO-66-NH2 a base di Zr(IV) (UiO = Universitetet i Oslo, dove il ligando dell'acido tereftalico contiene un sostituente amminico), seguiti dalla polimerizzazione del metilmetacrilato (MMA) per creare MOF innestati in polimero con un'alta densità di innesto (Figura 1A)14. Allo stesso modo, Matzger e collaboratori hanno funzionalizzato i gruppi amminici su particelle MOF-5 (alias IRMOF-3@MOF-5) con gruppi 2-bromo-iso-butile. Utilizzando la polimerizzazione avviata dai gruppi 2-bromo-iso-butile, hanno creato PMMA@IRMOF-3@MOF-5 innestati in poli(metilmetacrilato) (PMMA).
Oltre a funzionalizzare il ligando del MOF per l'innesto da polimerizzazione, sono stati esplorati anche nuovi metodi che creano siti per l'innesto polimerico tramite il coordinamento con i centri metallici (noti anche come SBU) del MOF. Ad esempio, un legante che può legarsi ai centri metallici MOF, come il catecolo (Figura 1B), può essere utilizzato per coordinarsi con i siti metallici esposti sulla superficie MOF. Utilizzando un agente di trasferimento a catena funzionalizzato con catecolo (cat-CTA, Figura 1B) la superficie MOF può essere funzionalizzata e resa adatta per un innesto da polimerizzazione.
Recentemente, la suddetta strategia per la sintesi di compositi MOF-polimero è stata utilizzata anche per la creazione di monostrati MOF autoportanti 16,17,18. MOF come UiO-66 e MIL-88B-NH2 (MIL = Materials of Institute Lavoisier) sono stati funzionalizzati in superficie con pMMA utilizzando una strategia ligando-CTA (Figura 1B). Le particelle di MOF innestate con polimero sono state autoassemblate in un'interfaccia aria-acqua per formare monostrati di strutture metallo-organiche (SAMM) autoportanti e autoassemblate con uno spessore di ~250 nm. Il contenuto di polimero in questi compositi era di ~20% in peso, indicando che i SAMM contenevano un carico MOF di ~80% in peso. Studi di follow-up hanno dimostrato che diversi polimeri vinilici potrebbero essere innestati su UiO-66 per produrre SAMM con caratteristiche diverse19. Tecniche analitiche come l'analisi termogravimetrica (TGA), la diffusione dinamica della luce (DLS) e la cromatografia a permeazione di gel (GPC) sono state utilizzate per calcolare l'altezza della spazzola polimerica e la densità di innesto dei compositi MOF-polimero innestati in superficie.
Qui viene presentata la preparazione di SAMM da UiO-66-pMA (pMA = poli(metilacrilato)). Per la polimerizzazione dell'acrilato di metile (MA), l'acido 2-(dodeciltiocarbonotiotioiltio)-2-metilpropionico (DDMAT, Figura 1B) viene utilizzato come CTA19. La funzionalizzazione delle particelle di UiO-66 con cat-DDMAT è essenziale per l'innesto di pMA. Il Cat-DDMAT può essere sintetizzato attraverso una procedura di acilazione in due fasi da un CTA disponibile in commercio e da un cloridrato di dopamina19. È inoltre fondamentale utilizzare particelle di UiO-66 di dimensioni uniformi per la corretta formazione di SAMM19; pertanto, l'UiO-66 utilizzato in questo studio è stato preparato utilizzando il metodo dell'addizione continua20. Il metodo di polimerizzazione impiegato per formare le particelle di MOF innestate con polimero è il trasferimento a catena di addizione-frammentazione reversibile fotoindotto (RAFT) condotto sotto luce LED blu (utilizzando un fotoreattore costruito internamente, Figura 2) con un fotocatalizzatore tris(2-fenilpiridina)iridio (Ir(ppy)3). La polimerizzazione RAFT conferisce una dispersione del polimero eccezionalmente ridotta che può essere controllata con precisione. Il CTA libero è incluso durante la reazione di polimerizzazione perché il rapporto tra agente di trasferimento e monomero consente il controllo del peso molecolare durante la polimerizzazione. La quantità di agente di trasferimento cat-DDMAT sulla superficie delle particelle MOF è piccola; pertanto, viene aggiunto un eccesso di CTA libero e la quantità di monomero da utilizzare viene calcolata in base alla quantità di CTA libero presente21. Dopo la polimerizzazione, il polimero libero prodotto dal CTA libero viene rimosso mediante lavaggio, lasciando solo l'UiO-66-pMA innestato con il polimero. Successivamente, questo composito viene disperso in toluene ad alta concentrazione e utilizzato per formare SAMM all'interfaccia aria-acqua.
1. Modifica della superficie di UiO-66 con cat-DDMAT
2. Polimerizzazione dell'acrilato di metile da UiO-66-DDMAT
3. Autoassemblaggio delle particelle
Quando i MOF innestati con polimero vengono delicatamente lasciati cadere sull'acqua da una dispersione concentrata di toluene (come illustrato nella Figura 4A), in pochi secondi si forma un monostrato dall'aspetto iridescente. Inoltre, l'utilizzo di uno stampo in filo di rame per sollevare questo monostrato e successivamente essiccare l'acqua ottenuta permette la formazione di SAMM autoportanti (Figura 4B). Dopo aver trasferito il monostrato su un vetrino per microscopio in vetro e averlo asciugato, l'imaging SEM mostra particelle autoassemblate (Figura 5). Nella Figura 5A, le particelle formano un monostrato uniforme. La morfologia di UiO-66, che è un ottaedro regolare (quando preparato in determinate condizioni sintetiche), appare leggermente più arrotondato a causa della presenza del pennello polimerico. Inoltre, la maggior parte degli spazi tra le particelle non sono aperti ma riempiti di polimero. Quando si osserva la periferia del monostrato, si possono osservare aree che possono riflettere il processo di autoassemblaggio incompleto (Figura 5B), indicando che non hanno ancora completamente formato il monostrato. Durante questa fase, si può notare il polimero esteso che colma gli spazi tra le particelle. Nel processo di trasferimento dei SAMM sul vetro per le misurazioni SEM, possono verificarsi casi in cui il monostrato si sposta leggermente. Tuttavia, nel caso di SAMM sintetizzati con successo, le particelle non si disperdono individualmente ma mostrano un fattore di forma simile a quello di una membrana ripiegata (Figura 5C).
Al contrario, se le particelle di MOF innestate con polimero non vengono preparate correttamente, le immagini SEM osservano caratteristiche diverse (Figura 6). Se la dispersione delle particelle è insufficiente (cioè durante il processo di sintesi e le fasi che coinvolgono il vortice o la sonicazione) si osserverà il raggruppamento delle particelle sotto forma di aggregati (Figura 6A). In particolare, quando si preparano sospensioni di particelle altamente concentrate per la fase finale di autoassemblaggio, è necessaria un'attenzione particolare per garantire che le particelle siano ben disperse in una quantità minima di toluene. Inoltre, come mostrato nella Figura 6B, C, le particelle possono aggregarsi in strutture multistrato, invece dei monostrati desiderati. La generazione di multistrati può avvenire a causa di diversi fattori. Ad esempio, se durante il processo di polimerizzazione dell'innesto, la miscela di reazione non viene agitata sufficientemente bene, ciò può provocare un'aggregazione irreversibile delle particelle che non consente la formazione di dispersioni omogenee nel toluene. Un'altra causa dei multistrati è una concentrazione di particelle nella soluzione di toluene che è troppo alta per essere ospitata dalla limitata superficie dell'acqua. Per ottenere SAMM disposti in modo uniforme, è fondamentale la corretta combinazione di dimensioni della piastra (cioè superficie dell'acqua esposta) e concentrazione della sospensione. Ad esempio, quando si utilizza una piastra di Petri di 60 mm di diametro, una goccia da 10 μL con una dispersione di 50 mg/mL consente la formazione riproducibile di SAMM.

Figura 1: Innesto di polimeri su particelle MOF. (A) Innesto da sintesi di leganti organici di PMMA-g-GMA-UiO-66. (B) Innesto da centri metallici, sintesi di UiO-66-pMA e loro autoassemblaggio in monostrati MOF. La Figura 1A è stata adattata da Molavi et al.14. Abbreviazioni: MOF = Struttura metallo-organica; GMA = Glicidil metacrilato; UiO = Universitetet i Oslo; THF = tetraidrofurano; DCM = diclorometano; PMMA = poli(metacrilato di metile); DDMAT = acido 2-(dodeciltiocarbonotiotioiltio)-2-metilpropionico; pMA = poli(metilacrilato); DMSO = dimetilsolfossido. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Recipiente di reazione a LED costruito internamente rivestito con strisce LED blu. Il recipiente di reazione è stato realizzato con (A) un contenitore in alluminio di 17 cm di diametro e (B) una striscia luminosa a LED flessibile impermeabile da 12 V. Abbreviazione: LED = diodo a emissione luminosa. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Fotografie di MOF incontaminati, funzionalizzati in superficie e innestati con polimero. (A) UiO-66, MOF incontaminato, in metanolo, (B) UiO-66-DDMAT, MOF funzionalizzati in superficie, in DMSO, (C) UiO-66-pMA, MOF innestati con polimero, in toluene. Abbreviazioni: MOF = Struttura metallo-organica; UiO = Universitetet i Oslo; DDMAT = acido 2-(dodeciltiocarbonotiotioiltio)-2-metilpropionico; pMA = poli(metilacrilato); DMSO = dimetilsolfossido. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Fotografie di SAMM. (A) SAMM iridescenti formate all'interfaccia aria-acqua. (B) SAMM autoportanti appesi a un filo di rame. Abbreviazioni: MOF = strutture metallo-organiche; SAMM = monostrati autoassemblati di strutture metallo-organiche. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: Immagini SEM di SAMM. (A) Particelle disposte in modo uniforme, che formano un monostrato. (B) Autoassemblaggio incompleto, osservato ai bordi del monostrato formato all'interfaccia aria-acqua. (C) Alcune parti ben formate del monostrato possono piegarsi durante il processo di trasferimento del monostrato sul vetro. Barre di scala = 1 μm. Abbreviazioni: SAMM = monostrati autoassemblati metallo-struttura organica; SEM = microscopia elettronica a scansione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 6: Immagini SEM di SAMM formati in modo non uniforme. (A) Cluster aggregati. (B) Una struttura multistrato non uniforme formata da una forte aggregazione di particelle. (C) La presenza di una superficie ruvida dovuta alla mancata formazione di un monostrato uniforme. Abbreviazioni: SAMM = monostrati autoassemblati metallo-struttura organica; SEM = microscopia elettronica a scansione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 7: Fotografie di MOF digeriti utilizzando HF. (A) UiO-66-pMA disperso nel toluene. (B) UiO-66-pMA digerito utilizzando HF. Abbreviazioni: MOF = strutture metallo-organiche; HF = Acido fluoridrico; UiO = Universitetet i Oslo; pMA = poli(metilacrilato). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Gli autori non hanno conflitti di interesse da rivelare.
Viene fornito un protocollo per la sintesi e la caratterizzazione di monostrati di strutture metallo-organiche autoassemblate utilizzando cristalli di struttura metallo-organica (MOF) innestati in polimero. La procedura mostra che le particelle MOF innestate con polimero possono essere auto-assemblate in un'interfaccia aria-acqua, dando luogo a strutture monostrato ben formate, autoportanti, come evidenziato dall'imaging al microscopio elettronico a scansione.
M.K. è stato sostenuto da una sovvenzione della National Science Foundation, Division of Chemistry nell'ambito del premio n. CHE-2153240. Un ulteriore supporto per i materiali e le forniture è stato fornito dal Dipartimento dell'Energia, Ufficio delle Scienze dell'Energia di Base, Divisione di Scienza e Ingegneria dei Materiali nell'ambito del premio n. DE-FG02-08ER46519. L'imaging SEM è stato eseguito in parte presso l'infrastruttura di nanotecnologia di San Diego (SDNI) dell'UC San Diego, un membro dell'infrastruttura coordinata nazionale di nanotecnologia, che è supportata dalla National Science Foundation (ECCS-1542148).
| 2-(dodeciltiocarbonotioiltio)-2-acido metilpropionico (DDMAT) | Sigma-Aldrich | 723010 | 98% |
| 10 mL Collo singolo RBF | Chemglass | CG-1506-82 | 14/20 Giunto esterno |
| Acetone | Fisher Chemical | A18-20 | ACS Grade |
| Allegra X-30R Centrifuga | BECKMAN COULTER | B06320 | Capacità massima 1,6 L, 18.000 giri/min, 29.756 x g |
| Miscelatore a vortice analogico | VWR | 10153-838 | 300 - 3.200 giri/min |
| cat-DDMAT | Preparato secondo la procedura della letteratura (rif. 17). | ||
| Provetta da centrifuga, 50 mL / 15 mL | CORNING | 430291 / 430766 | Fondo conico con tappo di chiusura, polipropilene |
| Cloroformio | Fisher Chemical | AC423550040 | 99,8% |
| Aghi convenzionali | Becton Dickinson | 382903051670 | 21 G x 1 1/2 |
| Filo di rame | Malin Co. | n. 30 B & S GAUGE | |
| Dimetil solfossido (DMSO) | Fisher Bioreagents | BP231-1 | >=99,7% |
| Pipette Pasteur monouso | Fisher Scientific | 13-678-20C | Etanolo in vetro borosilicato |
| KOPTEC | V1001 | 200 proof | |
| Fiala di scintillazione in vetro, 20 mL | KIMBIL | 74508-20 | |
| Cilindro graduato, 10 mL | KIMBIL | 20024-10 | |
| Aghi ipodermici | Air-Tite | N224 | 22 G x 4'' |
| Metanolo | Fisher Chemical | A412-20 | 99,8% |
| Metil acrilato | Aldrich Chemistry | M27301 | 99%, contiene =< 100 ppm monometil etere idrochinone come inibitore |
| Micropipetta P10 (1 - 10 &; L) | GILSON | F144055M | PIPETMAN, espulsore di metallo |
| Micropipetta P1000 (100 - 1.000 µ L) | GILSON | F144059M | PIPETMAN, Espulsore di Metallo |
| Micropipetta P20 (2 - 20 µ L) | GILSON | F144056M | PIPETMAN, Espulsore in metallo |
| Vetro di copertura per microscopio | Fisher Scientific | 12542A | 18 mm x 18 mm |
| NN-Dimerhylformamide (DMF) | Fisher Chemical | D119-4 | 99,8% |
| Petri Dish, coperchio impilabile | Fisher Scientific | FB0875713A | 60 mm x 15 mm |
| Tappo del setto | Chemglass | CG302401 | 14/20 - 14/35 |
| Agitatore | Chemglass | CG-2005T-01 | Magnetico, PTFE, Turbo, Terre Rare, Ellittico, 10 x 6mm |
| SuperNuova+ Piastra Riscaldante di Agitazione | Thermo Scientific | SP88857190 | 50 - 1.500 giri/min, 30 - 450 ° C |
| Toluene | Fisher Chemical | T324-4 | 99,5% |
| Tris[2-fenilpiridinato-C2,N]iridio(III) (Ir(ppy)3) | Sigma-Aldrich | 688096 | 97% |
| UiO-66 (lunghezza del bordo 120 nm) | Preparato secondo la procedura della letteratura (rif. 18). | ||
| Pulitore ad ultrasuoni CPX3800H | EMERSON / BRANSON | CPX-952-318R | 40 kHz, 5,7 L |
| Striscia LED flessibile impermeabile | ALITOVE | ALT-5B300WPBK | 16,4 piedi 5050 LED blu |