Ten artykuł opisuje przygotowanie dobrze uporządkowanych nanopianek niklowych poprzez bezprądowe osadzanie metalu na nanoporowatych szablonach uzyskanych z samodzielnie składających się supramolekuł na bazie kopolimeru diblokowego.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Ten artykuł opisuje przygotowanie dobrze uporządkowanych nanopianek niklowych poprzez bezprądowe osadzanie metalu na nanoporowatych szablonach uzyskanych z samodzielnie składających się supramolekuł na bazie kopolimeru diblokowego.
Nanoporowate pianki metalowe posiadają unikalną kombinację właściwości - są aktywne katalitycznie, przewodzą ciepło i elektrycznie, a ponadto mają wysoką porowatość, wysoki stosunek powierzchni do objętości i wytrzymałości do masy. Niestety, powszechne metody wytwarzania nanostruktur metalicznych powodują, że materiały mają wysoce nieuporządkowaną architekturę, co może mieć niekorzystny wpływ na ich właściwości mechaniczne. Kopolimery blokowe mają zdolność samoorganizacji do uporządkowanych nanostruktur i mogą być stosowane jako szablony do otrzymywania dobrze uporządkowanych nanopianek metalowych. W tym artykule opisano zastosowanie kompleksu supramolekularnego na bazie kopolimeru blokowego - polistyren-blok-poli(4-winylopirydyna)(pentadelopilofenol) PS-b-P4VP(PDP) - jako prekursora dobrze uporządkowanej nanopianki niklowej. Kompleksy supramolekularne wykazują zachowanie fazowe podobne do konwencjonalnych kopolimerów blokowych i mogą samoorganizować się w biciągłą morfologię żyroidalną z dwiema sieciami PS umieszczonymi w matrycy P4VP (PDP). PDP można rozpuścić w etanolu, co prowadzi do powstania porowatej struktury, którą można zasypać metalem. Za pomocą techniki powlekania bezprądowego nikiel można wprowadzić do kanałów szablonu. Wreszcie, pozostały polimer można usunąć w drodze pirolizy z polimerowo-nieorganicznej nanohybrydy, w wyniku czego powstaje nanoporowata pianka niklowa o odwróconej morfologii żyroidalnej.
Istnieje kilka dostępnych technik wytwarzania nanopianek metalowych: dealloying1-3, podejście zol-żel4,5, nanosmelting6,7 i synteza spalania8. W procesie dealloyingu materiałem wyjściowym jest zwykle stop dwuskładnikowy, na przykład stop srebra i złota. Mniej szlachetny metal, w tym przypadku srebro, można usunąć chemicznie lub elektrochemicznie, co skutkuje nieuporządkowaną porowatą pianką złotą z nanowymiarowymi więzadłami. W syntezie spalania metal miesza się z energetycznym prekursorem, który podczas jego rozkładu uwalnia energię i napędza tworzenie nanopianki metalowej8. Badania nad zachowaniem mechanicznym pianek metalowych wskazują, że w architekturach nieuporządkowanych naprężenia nie mogą być efektywnie przenoszone z nanoskali więzadła na ogólną makroskalę9-11.W związku z tym oczekuje się, że dobrze uporządkowane nanopianki metalowe będą miały lepsze właściwości mechaniczne w porównaniu z nieuporządkowanymi.
Idea tutaj przedstawiona polega na wykorzystaniu kopolimerów blokowych, które same się organizują w uporządkowane nanostruktury jako prekursory nanopianek metalowych. W zależności od składu kopolimeru blokowego, całkowitej liczby jednostek monomeru i stopnia odpychania między chemicznie połączonymi blokami, pojawiają się różne morfologie, takie jak: kulista, cylindryczna, blaszkowata, podwójnie żyroidowa, sześciokątnie perforowana blaszka i inne12-14. Ponadto bloki polimerowe mogą ulegać selektywnej degradacji, co prowadzi do powstania materiałów nanoporowatych15. Do najczęściej stosowanych metod należą: ozonoliza16-18, naświetlanie promieniami UV19, trawienie jonami reaktywnymi20-22 i rozpuszczanie23-26. Powstałe porowate struktury można zasypywać różnymi materiałami nieorganicznymi. Tlenki metali (np. SiO2, TiO2) są zwykle wprowadzane metodą zol-żel do kanałówmatrycy 27-29. Powlekanie elektrochemiczne i bezprądowe jest powszechnie stosowane do osadzania metalu w lub na matrycach30-33. Na koniec pozostały polimer można usunąć z polimerowo-nieorganicznej nanohybrydy poprzez pirolizę2, rozpuszczenie34,35, degradację UV28,29 itp.
W naszym podejściu zaczynamy od supramolekularnego kompleksu polistyren-blok-poli(4-winylopirydyna) (PS-b-P4VP) kopolimeru diblokowego i amfifilowych cząsteczek pentadelkilofenolu (PDP). Kompleks ten jest wynikiem wiązania wodorowego między pierścieniami PDP i pirydyny (ryc. 1a). Skład kopolimeru bloku startowego oraz ilość dodanego PDP dobiera się w taki sposób, aby otrzymany układ samoorganizował się w biciągłej morfologii podwójnego żyroskopu z siecią PS i matrycą P4VP(PDP) (rysunek 1b). Cząsteczki PDP ulegają selektywnemu rozpuszczeniu w etanolu, a łańcuchy P4VP zapadają się w sieć PS (ryc. 1c). Następnie, przy użyciu metody galwanizacji bezprądowej, nikiel osadza się w porach szablonu (rysunek 1d). Po usunięciu pozostałego polimeru w procesie pirolizy otrzymuje się dobrze uporządkowaną żyroidalną nanopiankę niklową (rysunek 1e).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Przygotowanie i charakterystyka kompleksów PS-b-P4VP(PDP) o morfologii podwójnego gyroidu




2. Generowanie i charakterystyka struktury porowatej
3. Wprowadzanie niklu do matrycy polimerowej
4. Odsłanianie odwróconej pianki niklowej o strukturze gyroidalnej
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Morfologię kompleksów supramolekularnych PS-b-P4VP(PDP)x badano za pomocą TEM oraz SAXS. Rysunki 2a i 2b przedstawiają typowe wzory gyroidalne reprezentatywnego kompleksu supramolekularnego: wzory podwójnej fali oraz koła wozowego, które znane są jako projekcje przez odpowiednio płaszczyznę (211) i (111) komórki elementarnej gyroidu. Domeny bloku PS są jasne, natomiast domeny bloku P4VP(PDP)x są ciemne ze względu na barwienie jodem. Rysunek 2c przedstawia wzór p...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Kompleksy supramolekularne są z powodzeniem stosowane jako prekursory dobrze uporządkowanych nanopianek metalowych. W tej metodzie kluczowym krokiem jest pozyskanie odpowiedniego szablonu, czyli szablonu z morfologią żyroidalną. Na schemacie fazowym kopolimerów blokowych obszar żyroidalny jest bardzo mały i raczej trudny do celu. Oznacza to, że jeśli jako materiały wyjściowe stosuje się konwencjonalne kopolimery blokowe, dość skomplikowaną syntezę należy powtarzać, aż do osiągnięcia pożądanego składu, który daje...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy deklarują brak sprzecznych interesów finansowych.
Dziękujemy za wsparcie finansowe ze strony Zernike Institute for Advanced Materials, University of Groningen.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Reagent | |||
| PS-b-P4VP, CAS: 26222-40-2 | Polymer Source Inc. | P9009-S4VP P136-S4VP P5462-S4VP P3912-S4VP | dodatkowe informacje znajdują się w osobnej tabeli |
| PDP | Aldrich | P4402-100G-A | dwukrotnie rekrystalizowany z eteru naftowego |
| SnCl2 | Acros Organics | 196981000 | |
| PdCl2 | Aldrich | 76050 | |
| NiSO4• H2O | Sigma-Aldrich | 227676 | |
| Kwas mlekowy | Aldrich | W261106 | |
| Sól trisodowa kwasu cytrynowego | Sigma-Aldrich | C3674 | |
| Boran dimetyloamina | Aldrich | 180238 | |
| b-P4VP numer katalogowy | Mn (PS), g/mol | Mn(P4VP), g/mol< | silny>PDI |
| P9009-S4VP | 24000 | 9500 | 1.1 |
| P136-S4VP | 31900 | 13200 | 1.08 |
| P5462-S4VP | 37500 | 16000 | 1.3 |
| P3912-S4VP | 41500 | 17500 | 1.07 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.