Preparazione di carbonio nanosheets a temperatura ambiente

La procedura presentata consente la preparazione chimica umida a bassa temperatura di nanofogli di carbonio attraverso l'autoassemblaggio di nuove molecole anfifiliche come precursori reattivi e la loro successiva carbonizzazione a temperatura ambiente. Tipicamente la preparazione di nanostrutture di carbonio richiede alte temperature o pressioni e un controllo sulla morfologia e la funzionalizzazione chimica dei carboni preparati è difficile da ottenere in tali condizioni. L'approccio sviluppato richiede esclusivamente l'irradiazione UV a temperatura ambiente per fornire nanofogli di carbonio con dimensioni molecolarmente definite inferiori a due nanometri e dimensioni laterali dell'ordine dei centimetri.

Per raggiungere questo obiettivo, abbiamo preparato molecole che sono reattive, sorelle ricche di carbonio dei tipici anfifili degli acidi grassi e sono progettate per autoassemblarsi all'interfaccia aria-acqua in monostrati. Il monostrato presenta una serie densamente compatta di frazioni esayne e la carbonizzazione dei film produce un materiale altrimenti ottenuto solo a temperature superiori a 800 gradi Celsius. Per iniziare, sciogliere 208 milligrammi di esayana protetta in 15 millilitri di diclorometano in un pallone di Schlenk da 100 millilitri in atmosfera inerte.

Quindi, aggiungi 10 millilitri di metanolo. Proteggere il pallone dalla luce con un foglio di alluminio e aggiungere metanolato di sodio. Dopo aver mescolato la miscela risultante per 30 minuti a temperatura ambiente, diluire con 15 millilitri di diclorometano e trasferire in un imbuto separatore.

Quindi lavare una volta con una soluzione acquosa di cloruro di idrogeno a un molare e una volta con una soluzione acquosa di cloruro di sodio saturo. Trasferire la fase organica in un pallone di Erlenmeyer e asciugarla con 30 grammi di solfato di sodio. Dopo aver filtrato la fase organica, concentrare il filtrato in vuoto.

Purificare il prodotto grezzo mediante cromatografia su colonna per isolare l'esayne anfifilo in soluzione gialla. Conservare il prodotto di questa reazione come soluzione diluita in diclorometano per ridurre al minimo la decomposizione. Distribuire un'aliquota di 100 microlitri della soluzione madre diluita dell'esayne anfifilo su acqua ultrapura in un trogolo di Langmuir comprendente una configurazione di spettroscopia di assorbimento per riflessione infrarossa.

Lasciare equilibrare il trogolo di Langmuir per 15 minuti, lasciando evaporare il solvente. Comprimere lo strato a una pressione superficiale di un millinewton per metro con un tasso di compressione costante di cinque angstrom per molecola al minuto riducendo la superficie della depressione di Langmuir con le barriere. Monitorare la pressione superficiale per mezzo della microbilancia a pressione superficiale con una piastra Wilhelmy di carta da filtro e impostare le barriere del canale di Langmuir in modo da mantenere una pressione superficiale di un millinewton per metro.

Registra uno spettro IR con luce polarizzata p con un angolo di incidenza di 40 gradi. Comprimere lo strato ad una velocità di compressione costante di cinque angstrom per molecola al minuto riducendo ulteriormente l'area superficiale della depressione di Langmuir con le barriere in modo da ottenere pressioni superficiali di tre, poi cinque e infine otto millinewton per metro come indicato dalla microbilancia a pressione superficiale. Registrare gli spettri con luce polarizzata p con un angolo di incidenza di 40 gradi per ciascuna di queste pressioni superficiali.

Rimuovere con cautela la scatola che racchiude la mangiatoia di Langmuir. Montare la lampada UV su un supporto di supporto e posizionarla a circa 50 centimetri di distanza dalla superficie dell'acqua, assicurandosi che l'interfaccia sia coperta dal cono di luce UV. Dopo aver confermato che il monostrato è ancora compresso a una pressione superficiale di otto millinewton per metro, misurata dalla microbilancia a pressione superficiale, impostare le barriere del canale di Langmuir in modo che siano fissate nella posizione corrente.

Esporre l'interfaccia aria-acqua alla luce UV. Monitorare e registrare la variazione della pressione superficiale tramite la microbilancia a pressione superficiale dotata di una piastra Wilhelmy in carta da filtro durante tutto il corso dell'irradiazione. Interrompere l'irradiazione spegnendo la lampada dopo un totale di 40 minuti di irradiazione.

Racchiudere il trogolo Langmuir nella scatola sigillata per evitare una contaminazione dell'interfaccia prima di lasciare che la configurazione si equilibri per 30 minuti. Quindi, impostare le barriere della depressione di Langmuir per mantenere la pressione superficiale osservata dalla microbilancia della pressione superficiale dopo l'irradiazione. Registra uno spettro IR con luce polarizzata p con un angolo di incidenza di 40 gradi.

Installare due substrati di zaffiro precedentemente puliti con due paia di pinzette attaccate a un braccio meccanico. Immergere i substrati nella sottofase e pulire accuratamente l'interfaccia aria-acqua prima di spargere. Distribuire con cura un'aliquota di 100 microlitri della soluzione madre diluita dell'esayne anfifilo nel cloroformio DCM su acqua ultrapura nella mangiatoia di Langmuir.

Lasciare equilibrare il trogolo di Langmuir per 15 minuti, lasciando evaporare il solvente. Comprimere lo strato a una pressione superficiale di otto millinetwon per metro con un tasso di compressione costante di cinque angstrom per molecola al minuto riducendo la superficie della depressione di Langmuir con le barriere. Monitorare la pressione superficiale per mezzo della microbilancia a pressione superficiale dotata di una piastra Wilhelmy in carta da filtro e impostare le barriere del canale di Langmuir in modo da mantenere una pressione superficiale di otto millinewton per metro.

Per trasferire il monostrato non carbonizzato su un substrato di zaffiro, mantenere il monostrato a una pressione superficiale di otto millinewton per metro e tirare il braccio meccanico verso l'alto a una velocità di 1,2 millimetri al minuto fino a quando il primo substrato non è completamente rimosso dalla sottofase. Il secondo substrato deve rimanere immerso nella sottofase. Recuperare con cura il primo substrato che trasporta lo strato non carbonizzato dal paio di pinzette, conservarlo al riparo dalla luce e utilizzarlo per l'applicazione prevista quando necessario.

Montare la lampada UV su un supporto di supporto e posizionarla a circa 50 centimetri di distanza dalla superficie dell'acqua, assicurandosi che l'interfaccia sia coperta dal cono della luce UV. Assicurarsi che il monostrato sia ancora compresso a una pressione superficiale di otto millinewton per metro e fissare la posizione delle barriere. Esporre l'interfaccia aria-acqua alla luce UV monitorando e registrando la variazione della pressione superficiale misurata dalla microbilancia della pressione superficiale durante il corso dell'irradiazione.

Dopo un totale di 40 minuti di irradiazione, interrompere l'irradiazione spegnendo la lampada. Per trasferire il film carbonizzato su un substrato di zaffiro, impostare le barriere del canale di Langmuir in modo da mantenere la pressione superficiale misurata dopo l'irradiazione. Mantenendo costante la pressione superficiale, ritrarre il braccio meccanico che tiene il substrato dall'interfaccia a una velocità di 1,2 millilitri al minuto fino a quando il substrato non viene completamente rimosso dalla sottofase.

Recuperare con cura il substrato che trasporta lo strato carbonizzato dal paio di pinzette. La risonanza magnetica nucleare al carbonio-13, o spettro NMR, dell'anfifilo esayne, mostra i segnali per tutti i 12 atomi di carbonio ibridati sp. La compressione di uno strato dell'esayne anfifilo all'interfaccia aria-acqua dà origine ad un'isoterma dell'area di pressione superficiale che mostra due fasi, con un ripido pendio separato da un plateau fortemente inclinato.

Qui sono mostrati gli spettri IRRA del film di anfifilo esayne compresso a pressioni superficiali comprese tra un millinewton per metro e otto millinewton per metro. Un confronto tra gli spettri IRRA di un film di anfifilo reattivo ricco di carbonio prima dell'irradiazione ultravioletta, visualizzato in blu, e dopo l'irradiazione ultravioletta, visualizzato in rosso, mostra che le bande degli esaini scompaiono completamente. Qui sono mostrati gli esperimenti di microscopia angolare di Brewster con un film di anfifilo all'interfaccia aria-acqua prima e dopo la carbonizzazione mediante irradiazione UV.

Dopo l'irradiazione UV, si osserva un chiaro cambiamento nella struttura del film e i film carbonizzati possono essere rotti, lasciando grandi isole galleggianti all'interfaccia aria-acqua. Un'immagine al microscopio elettronico a scansione di un nanofoglio di carbonio dopo il trasferimento di Langmuir-Schaefer su una griglia TEM di Holey Carbon, presa sul bordo dei nanofogli di carbonio, mostra alcuni drappeggi e rughe. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere utilizzata per preparare nanofogli di carbonio con uno spessore inferiore a due nanometri e dimensioni laterali estese che sono limitate solo dalle dimensioni del trogolo di Langmuir disponibile.

Durante il tentativo di questa procedura, è importante pulire accuratamente l'interfaccia aria-acqua e calibrare la configurazione sperimentale prima di qualsiasi esperimento. E non dimenticate che l'esayne anfifilo è molto reattivo e che è necessario prendere precauzioni, come proteggerlo dalla luce, per evitare una carbonizzazione prematura. Dopo il suo sviluppo, questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo dei rivestimenti superficiali o degli imballaggi per esplorare i nanofogli di carbonio come strati protettivi nei compositi con altri materiali.