Name: Synteza kowalencyjnych struktur organicznych (COF) oparta na mikroprzepływach: narzędzie do ciągłej produkcji włókien COF i bezpośredniego drukowania na powierzchni (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-07-10T11:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 42 s
Description: Poznaj metodę mikroprzepływową do syntezy ciągłych włókien COF i drukowania struktur 2D oraz 3D na powierzchniach. Technika ta usprawnia przetwarzalność kowalencyjnych struktur organicznych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy dziękują Szwajcarskiej Narodowej Fundacji Nauki (SNF) za wsparcie finansowe poprzez projekt nr 200021_160174.

1. Mistrz produkcji form
<ol>
	<li>Wykonaj fotolitograficzną produkcję 4-calowej silikonowej formy wzorcowej, jak szczegółowo opisano wcześniej19; forma główna użyta w tym badaniu została wyprodukowana przy użyciu tego samego protokołu. 
	UWAGA: Urządzenia mikroprzepływowe są zazwyczaj wytwarzane w wieloetapowym procesie. Pierwszym krokiem jest zaprojektowanie kanału mikroprzepływowego przy użyciu konwencjonalnego oprogramowania do rysowania. Następnie wytwarzane są fotomaski filmowe o wysokiej rozdzielczości zawierające sieć mikroprzepływową z dokładnością do około 5 μm. Następnie formy wzorcowe są wytwarzane na 4-calowej płytce krzemowej za pomocą standardowych technik fotolitografii. SU-8, ujemny fotorezyst, jest wykorzystywany do wytwarzania form wzorcowych w obecnych badaniach. Wysokość konstrukcji SU-8 w naszych urządzeniach określana jest na 50 μm. Wreszcie, urządzenia mikroprzepływowe są wytwarzane poprzez bezpośrednie odlewanie przezroczystego polimeru, zwykle polidimetylosiloksanu (PDMS), na formę wzorcową.</li>
</ol>
2. Produkcja jednowarstwowych urządzeń mikroprzepływowych
UWAGA: Protokół wymaga, aby piekarnik działał w temperaturze 70 °C. Temperatura pieca powinna być ustabilizowana na poziomie 70 °C przed zainicjowaniem protokołu produkcyjnego. Niższe temperatury mogą prowadzić do słabo połączonych i niedziałających urządzeń.
<ol>
	<li>Umieść sfabrykowaną formę wzorcową w eksykatorze wyposażonym w pompę próżniową. Następnie wlać 100 μl chlorotrimetylosilanu do szklanej fiolki i umieścić ją w eksykatorze. 
	UWAGA: UWAGA! Chlorotrimetylosilan jest substancją, niebezpieczną i toksyczną. W związku z tym wszystkie czynności związane z obsługą należy wykonywać pod dobrze wentylowanym wyciągiem, a także należy nosić odpowiednie okulary ochronne, rękawice i fartuch laboratoryjny.</li>
	<li>Zamknąć eksykator i umieścić go pod próżnią (w tym eksperymencie 51 mbar). Odczekać co najmniej 1 godzinę, aby upewnić się, że odparowany chlorotrimetylosilan osadza się na powierzchni formy wzorcowej. Po 1 godzinie delikatnie otwórz zawór powietrza eksykatora, aby zrównoważyć go z ciśnieniem atmosferycznym i otwórz go. 
	UWAGA: UWAGA! Gdy tylko eksykator zostanie otwarty, para chlorotrimetylosilanu wycieka; Nie oddychaj bezpośrednio nad eksykatorem i zawsze wykonuj powyższe czynności w wentylowanym dygestorium.</li>
	<li>Ostrożnie wyjmij ręcznie silanizowaną formę główną i zamknij eksykatora. Przechowuj formę wzorcową w zamkniętym pudełku (lub w okapie z przepływem laminarnym), aby uniknąć osadzania się cząstek stałych na jej powierzchni. 
	UWAGA: Wszystkie kolejne kroki należy wykonywać pod okapem z przepływem laminarnym pracującym z jednolitą prędkością powietrza.</li>
	<li>Przygotuj mieszaninę prepolimeru PDMS i utwardzacza (o masie 10:0,9) w jednorazowym kubku i energicznie wymieszaj plastikową szpatułką. Jako wskazówkę użyj 20 g elastomeru i 1,8 g utwardzacza do wytworzenia czterech urządzeń mikroprzepływowych PDMS o grubości około 5 mm.</li>
	<li>Umieść kubek zawierający dobrze wymieszany PDMS w eksykatorze pod próżnią w celu odgazowania i usunięcia pęcherzyków powietrza. Po odgazowaniu PDMS otwórz eksykator i wyjmij kubek. 
	UWAGA: W tym eksperymencie zajmuje to około 30 minut przy ciśnieniu 51 mbar.</li>
	<li>Delikatnie umieść cztery kwadratowe ramki (np. ramki z politetrafluoroetylenu (PTFE) o wymiarach wewnętrznych 24 mm x 24 mm) na formie wzorcowej tak, aby każda z nich tworzyła ścianę wokół jednej wzorzystej struktury na formie wzorcowej.</li>
	<li>Wlej odgazowany PDMS do ramek i na wierzch formy głównej, aż będą pełne. Umieść formę wzorcową z wypełnionymi kwadratowymi ramkami w piekarniku w temperaturze 70 °C na 2 godziny.</li>
	<li>Po 2 godzinach wyjmij formę wzorcową z piekarnika i pozostaw zespół do ostygnięcia do temperatury pokojowej.</li>
	<li>Ręcznie odklej strukturalne płyty PDMS (lub wióry PDMS) i kwadratowe ramy, ostrożnie oddzielając je od formy głównej i wysuń wióry PDMS z kwadratowych ramek.</li>
	<li>Przebić otwory wlotowe i wylotowe za pomocą dziurkacza do biopsji 1,5 mm w żądanych miejscach w projekcie, np. na końcu kanałów mikroprzepływowych. Wytnij dodatkowe kawałki PDMS i usuń wszelkie zanieczyszczenia z powierzchni strukturalnych chipów PDMS za pomocą taśmy klejącej.</li>
	<li>Umieść chipy PDMS (otwartymi kanałami skierowanymi do góry) oraz szklane szkiełka nakrywkowe w komorze generatora plazmy i zamknij komorę.</li>
	<li>Umieść generator plazmy pod próżnią (tutaj 1,4 mbar); włącz generator plazmy na 1 minutę.</li>
	<li>Po 1 min wyłączyć generator plazmy, przewietrzyć komorę i wyjąć obrobione wióry PDMS oraz szkiełka nakrywkowe. Połącz ze sobą chipy PDMS (od strony kanałów strukturalnych) i szklane szkiełka nakrywkowe, aby zamknąć kanały; Na tym etapie wytwarzane są jednowarstwowe urządzenia mikroprzepływowe.</li>
	<li>Na koniec umieścić połączone urządzenia mikroprzepływowe w piecu w temperaturze 70 °C na co najmniej 4 godziny, aby znacznie zwiększyć wiązanie między PDMS a szkłem.</li>
</ol>
3. Przygotowanie układu mikroprzepływowego i roztworów prekursorowych
<ol>
	<li>Przygotować 0,040 M roztwór BTCA w kwasie octowym. 
	UWAGA: UWAGA! Kwas octowy jest związkiem niebezpiecznym, i łatwopalnym, a jego opary są wyjątkowo drażniące dla oczu i układu oddechowego. W związku z tym czynności związane z obsługą należy wykonywać w dygestorium. Użytkownik musi również nosić ochronny fartuch laboratoryjny, okulary i rękawice.</li>
	<li>Przygotować 0,040 M roztwór TAPB w kwasie octowym. 
	UWAGA: Urządzenie mikroprzepływowe użyte w obecnych eksperymentach ma cztery kanały wlotowe (<silna klasa="xfig">Rysunek 1B i <silna klasa="xfig">Rysunek 2).</li>
	<li>Załaduj roztwory BTCA i TAPB do dwóch różnych strzykawek (tutaj strzykawki 5 ml załadowane roztworem 3 ml), umieść i zabezpiecz strzykawki na pompie strzykawkowej i podłącz je do dwóch środkowych wlotów spreparowanego chipa mikroprzepływowego (jeden odczynnik na wlot) za pomocą rurki PTFE (średnica wewnętrzna 0,8 mm).</li>
	<li>Załaduj dwie inne strzykawki czystym kwasem octowym (tutaj strzykawki o pojemności 5 ml są w pełni załadowane), umieść i przymocuj strzykawki do pompy strzykawkowej i podłącz je do dwóch bocznych wlotów chipa mikroprzepływowego za pomocą tego samego typu rurki PTFE.</li>
	<li>Podłącz wystarczająco długą rurkę PTFE (w obecnym eksperymencie ~15 cm) do wylotu chipa mikroprzepływowego. Użyj sterowanej komputerowo pompy strzykawkowej, aby zmotywować przepływ płynu zgodnie z opisem w poniższych krokach.</li>
</ol>
4. Ciągła synteza włókien MF-COF
<ol>
	<li>Za pomocą pompy strzykawkowej wprowadzić dwa strumienie kwasu octowego w osłonie, każdy z natężeniem przepływu 100 μl/min; przepływy w osłonie znajdują się po zewnętrznej stronie przepływów odczynnika (<klasa silna = "xfig">Rysunek 2).</li>
	<li>Odczekać 1 minutę i wstrzyknąć dwa odczynniki (TAPB i BTCA) przez dwa środkowe wloty (po jednym odczynniku na wlot) każdy z natężeniem przepływu 50 μl/min. Odczekać 1 minutę, aż ustabilizują się przepływy.</li>
	<li>Obserwuj powstawanie żółtych mikrostruktur włóknistych wcześniej scharakteryzowanych jako MF-COF za pomocą spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera (FT-IR), analizy elementarnej i stanu stałego 13C CP-MAS-NMR6; w tych warunkach tworzenie MF-COF nie jest ciągłe.</li>
	<li>Zwiększyć natężenie przepływu TAPB i BTCA do 200 μl/min i utrzymać dwa przepływy osłonki kwasu octowego na poziomie 100 μl/min. Teraz odczekaj 1 minutę, aż przepływ się ustabilizuje. Obserwuj tworzenie się silnie skoncentrowanej zawiesiny żółtych włókien MF-COF, co ostatecznie prowadzi do zablokowania wylotu.</li>
	<li>Ponieważ chip i rurka wylotowa nie działają, użyj nowego chipa i przygotuj go do eksperymentu zgodnie z krokami 3.3-3.6.</li>
	<li>Wprowadzić dwa strumienie kwasu octowego do osłony każdy o natężeniu przepływu 100 μl/min i odczekać 1 min. Ustawić przepływy TAPB i BTCA każdy na 100 μl/min i obserwować tworzenie się ciągłego żółtego włókna MF-COF.</li>
	<li>Umieścić wylot rurki na szalce Petriego zawierającej kwas octowy. Na przykład umieść 10 ml kwasu octowego na okrągłej szklanej szalce Petriego (o średnicy 60 mm). Gdy zsyntetyzowane włókno opuści rurkę znajdującą się na wylocie urządzenia mikroprzepływowego, przesuń rurkę po powierzchni, aby ułatwić wyjście ciągłego włókna MF-COF.</li>
</ol>
5. Bezpośrednie drukowanie struktur 2D i 3D MF-COF
UWAGA: Ponieważ zsyntetyzowane włókno może nie być całkowicie jednorodne, prędkość osadzania musi być dostosowana, aby zapewnić ciągłe drukowanie.
<ol>
	<li>Przygotować zestaw mikroprzepływowy zgodnie z opisem w sekcji 3 i wstrzyknąć wszystkie cztery roztwory z szybkością przepływu 100 μl/min.</li>
	<li>Odczekaj 1 minutę, aż przepływy ustabilizują się, a zsyntetyzowane włókno MF-COF opuści rurkę znajdującą się na wylocie urządzenia mikroprzepływowego. Przygotuj czyste podłoże obok wyjścia rurki znajdującej się na wylocie urządzenia mikroprzepływowego do bezpośredniego drukowania włókien MF-COF. 
	UWAGA: W naszych badaniach do wszystkich eksperymentów drukarskich użyto szkiełek nakrywkowych ze szkła o wymiarach 24 mm x 76 mm.</li>
	<li>Trzymaj rurkę podłączoną do wylotu urządzenia mikroprzepływowego tak, aby jej koniec znajdował się kilka milimetrów nad szklanym szkiełkiem nakrywkowym. Powoli przesuwaj rurkę po szklanym szkiełku nakrywkowym, aby ułatwić wyjście włókna MF-COF i uniknąć agregacji.</li>
	<li>Po ustabilizowaniu przepływów powoli podnieś rurkę znajdującą się na wylocie urządzenia mikroprzepływowego około 2-3 cm od szklanego szkiełka nakrywkowego, aby zaobserwować wolnostojące i stabilne włókno MF-COF.</li>
	<li>Aby kontynuować drukowanie, przyłóż wylot rurki z powrotem w kierunku szklanego szkiełka nakrywkowego i ręcznie przesuń rurkę po powierzchni, aby narysować żądaną strukturę 2D lub 3D MF-CLOF.</li>
</ol>

<ol><li>Cote, A. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Porous%2C+crystalline%2C+covalent+organic+frameworks%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Porous, crystalline, covalent organic frameworks.</a> Science. 310, 1166-1170 (2005).</li>
<li>Ding, S. Y., Wang, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Covalent+organic+frameworks+%28COFs%29%3A+from+design+to+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Chem+Soc+Rev%22%5BJournal%5D)">Covalent organic frameworks (COFs): from design to applications.</a> Chem Soc Rev. 42, 548-568 (2013).</li>
<li>Huang, N., Wang, P., Jiang, D. L. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/articles/natrevmats201668">Covalent organic frameworks: a materials platform for structural and functional designs.</a> Nat Rev Mater. 1, 16068(2016).</li>
<li>Xu, H., Gao, J., Stable Jiang, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((crystalline%2C+porous%2C+covalent+organic+frameworks+as+a+platform+for+chiral+organocatalysts%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Chem%22%5BJournal%5D)">crystalline, porous, covalent organic frameworks as a platform for chiral organocatalysts.</a> Nat Chem. 7, 905-912 (2015).</li>
<li>Wan, S., Guo, J., Kim, J., Ihee, H., Jiang, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Belt-Shaped%2C+Blue+Luminescent%2C+and+Semiconducting+Covalent+Organic+Framework%5BTitle%5D)+AND+%22Angew+Chem+Int+Edit%22%5BJournal%5D)">A Belt-Shaped, Blue Luminescent, and Semiconducting Covalent Organic Framework.</a> Angew Chem Int Edit. 47, 8826-8830 (2008).</li>
<li>Rodriguez-San-Miguel, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Crystalline+fibres+of+a+covalent+organic+framework+through+bottom-up+microfluidic+synthesis%5BTitle%5D)+AND+%22Chem+Commun%22%5BJournal%5D)">Crystalline fibres of a covalent organic framework through bottom-up microfluidic synthesis.</a> Chem Commun. 52, 9212-9215 (2016).</li>
<li>Bisbey, R. P., DeBlase, C. R., Smith, B. J., Dichtel, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Two-dimensional+Covalent+Organic+Framework+Thin+Films+Grown+in+Flow%5BTitle%5D)+AND+%22J+Am+Chem+Soc%22%5BJournal%5D)">Two-dimensional Covalent Organic Framework Thin Films Grown in Flow.</a> J Am Chem Soc. 138, 11433-11436 (2016).</li>
<li>Spitler, E. L., Dichtel, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lewis+acid-catalysed+formation+of+two-dimensional+phthalocyanine+covalent+organic+frameworks%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Chem%22%5BJournal%5D)">Lewis acid-catalysed formation of two-dimensional phthalocyanine covalent organic frameworks.</a> Nat Chem. 2, 672-677 (2010).</li>
<li>Keskin, S. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp209804x">Adsorption, Diffusion, and Separation of CH4/H-2 Mixtures in Covalent Organic Frameworks: Molecular Simulations and Theoretical Predictions.</a> J Phys Chem C. 116, 1772-1779 (2012).</li>
<li>Tilford, R. W., Mugavero, S. J., Pellechia, P. J., Lavigne, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tailoring+microporosity+in+covalent+organic+frameworks%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Mater%22%5BJournal%5D)">Tailoring microporosity in covalent organic frameworks.</a> Adv Mater. 20, 2741-2746 (2008).</li>
<li>Hasegawa, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+porous+coordination+polymer+functionalized+with+amide+groups+based+on+tridentate+ligand%3A+Selective+sorption+and+catalysis%5BTitle%5D)+AND+%22J+Am+Chem+Soc%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional porous coordination polymer functionalized with amide groups based on tridentate ligand: Selective sorption and catalysis.</a> J Am Chem Soc. 129, 2607-2614 (2007).</li>
<li>Das, G., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/-/content/articlehtml/2015/sc/c5sc00512d">Chemical sensing in two dimensional porous covalent organic nanosheets.</a> Chem Sci. 6, 3931-3939 (2015).</li>
<li>Guo, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conjugated+organic+framework+with+three-dimensionally+ordered+stable+structure+and+delocalized+pi+clouds%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Commun%22%5BJournal%5D)">Conjugated organic framework with three-dimensionally ordered stable structure and delocalized pi clouds.</a> Nat Commun. 4, 2736(2013).</li>
<li>Furukawa, H., Yaghi, O. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Storage+of+Hydrogen%2C+Methane%2C+and+Carbon+Dioxide+in+Highly+Porous+Covalent+Organic+Frameworks+for+Clean+Energy+Applications%5BTitle%5D)+AND+%22J+Am+Chem+Soc%22%5BJournal%5D)">Storage of Hydrogen, Methane, and Carbon Dioxide in Highly Porous Covalent Organic Frameworks for Clean Energy Applications.</a> J Am Chem Soc. 131, 8875-8883 (2009).</li>
<li>Xu, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrochemically+active%2C+crystalline%2C+mesoporous+covalent+organic+frameworks+on+carbon+nanotubes+for+synergistic+lithium-ion+battery+energy+storage%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+Rep-Uk%22%5BJournal%5D)">Electrochemically active, crystalline, mesoporous covalent organic frameworks on carbon nanotubes for synergistic lithium-ion battery energy storage.</a> Sci Rep-Uk. 5, 8225(2015).</li>
<li>El-Kaderi, H. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Designed+synthesis+of+3D+covalent+organic+frameworks%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Designed synthesis of 3D covalent organic frameworks.</a> Science. 316, 268-272 (2007).</li>
<li>Ruigomez, A. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+On-Surface+Patterning+of+a+Crystalline+Laminar+Covalent+Organic+Framework+Synthesized+at+Room+Temperature%5BTitle%5D)+AND+%22Chem+Eur+J%22%5BJournal%5D)">Direct On-Surface Patterning of a Crystalline Laminar Covalent Organic Framework Synthesized at Room Temperature.</a> Chem Eur J. 21, 10666-10670 (2015).</li>
<li>Segura, J. L., Mancheno, M. J., Zamora, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Covalent+organic+frameworks+based+on+Schiff-base+chemistry%3A+synthesis%2C+properties+and+potential+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Chem+Soc+Rev%22%5BJournal%5D)">Covalent organic frameworks based on Schiff-base chemistry: synthesis, properties and potential applications.</a> Chem Soc Rev. 45, 5635-5671 (2016).</li>
<li>Abrishamkar, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microfluidic+Pneumatic+Cages%3A+A+Novel+Approach+for+In-chip+Crystal+Trapping%2C+Manipulation+and+Controlled+Chemical+Treatment%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Microfluidic Pneumatic Cages: A Novel Approach for In-chip Crystal Trapping, Manipulation and Controlled Chemical Treatment.</a> J Vis Exp. (113), e54193(2016).</li>
<li>Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J. A., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+prototyping+of+microfluidic+systems+in+poly%28dimethylsiloxane%29%5BTitle%5D)+AND+%22Anal+Chem%22%5BJournal%5D)">Rapid prototyping of microfluidic systems in poly(dimethylsiloxane).</a> Anal Chem. 70, 4974-4984 (1998).</li>
<li>Rubio-Martinez, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Freezing+the+Nonclassical+Crystal+Growth+of+a+Coordination+Polymer+Using+Controlled+Dynamic+Gradients%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Mater%22%5BJournal%5D)">Freezing the Nonclassical Crystal Growth of a Coordination Polymer Using Controlled Dynamic Gradients.</a> Adv Mater. 28, 8150-8155 (2016).</li>
<li>Liu, H., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2015/SC/c5sc00314h">A Catalytic Chiral Gel Microfluidic Reactor Assembled via Dynamic Covalent Chemistry.</a> Chem Sci. 6, 2292-2296 (2015).</li>
<li>Puigmarti-Luis, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stepwise+Template+Growth+of+Functional+Nanowires+from+an+Amino+Acid-Supported+Framework+in+a+Microfluidic+Chip%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Stepwise Template Growth of Functional Nanowires from an Amino Acid-Supported Framework in a Microfluidic Chip.</a> ACS Nano. 8 (1), 818-826 (2014).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Opisana tutaj metoda syntezy opartej na mikroprzepływach zapewnia nowatorskie i proste podejście do bezpośredniego drukowania materiałów COF na powierzchniach. Synteza odbywa się przy użyciu jednowarstwowego urządzenia mikroprzepływowego, składającego się z mikroprzepływowego chipa PDMS połączonego ze szklanym szkiełkiem nakrywkowym. Wytwarzanie urządzenia mikroprzepływowego można osiągnąć poprzez konwencjonalne odlewanie PDMS na silikonowej formie wzorcowej, a następnie łączenie PDMS z nadrukowanymi mikrokanalikami na s...

Kowalencyjne struktury organiczne (COFs) to dobrze znana klasa porowatych i krystalicznych materiałów, w których organiczne elementy budulcowe są mocno połączone wiązaniami kowalencyjnymi1,2,3,4,5. COF są zwykle składane zgodnie z zasadami chemii supramolekularnej, w której składowe molekularne bloki budulcowe są selektywnie reagowane w celu zdefiniowania końcowego i z góry określonego porowatego złożenia. Takie podejście pozwala na syntezę materiałów o kontrolowanej i uporządkowanej strukturze (np. o zdefiniowanych wymiarach porów) i składzie3,6,7,8. W porównaniu z innymi materiałami porowatymi, COF są wyjątkowe, ponieważ składają się z lekkich pierwiastków (C, H, B, N i O) i mają przestrajalną porowatość1,5. Zainspirowane tymi unikalnymi i wewnętrznymi cechami, COF zostały ocenione pod kątem potencjalnego zastosowania w separacjach chemicznych9, gas storage10i katalizie11, sensors12, optoelectronics13, clean energy technologies14 oraz elektrochemiczne urządzenia energetyczne15.
Do tej pory, zdecydowana większość metod stosowanych do przygotowania materiałów COF opiera się na solwotermicznych reakcjach samokondensacji i kondensacji, gdzie wysokie temperatury i ciśnienia są standardem. Chociaż COF są wytrzymałe termicznie, często cierpią z powodu ograniczonej przetwarzalności, tj. COFy są zwykle nierozpuszczalnymi i nieprzetwarzalnymi krystalicznymi proszkami, co znacznie ogranicza ich zastosowanie w szeregu potencjalnych i praktycznych zastosowań2,6,8,16,17. Pomimo znacznego postępu, jaki dokonał się w syntezie COF, dużym wyzwaniem w tej dziedzinie jest opracowanie metody umożliwiającej otrzymywanie COF-ów w odpowiednich warunkach reakcji (np. temperaturze i ciśnieniu), które następnie mogą ułatwić ich przetwarzanie na powierzchniach.
Ostatnio badania wykazały, że chemia na bazie Shiff może być użyta do syntezy COF na bazie iminy w temperaturze pokojowej. Wytworzony COF, nazwany RT-COF-1, powstaje w wyniku szybkiej i wydajnej reakcji między 1,3,5-tris(4-aminofenylo)benzenem (TAPB) a 1,3,5-benzenotrikarbaldehydem (BTCA)17 (Rysunek 1A). Skuteczność tej metody syntezy wykazano poprzez bezpośrednie drukowanie mikronowych i submikronowych wzorów RT-COF-1 zarówno na sztywnych, jak i elastycznych powierzchniach przy użyciu technik litografii lub druku atramentowego. Niedawno, korzystając z mikrofluidyki, zademonstrowaliśmy skuteczne podejście do ciągłej syntezy włókien tego samego COF na bazie iminy, zwanego dalej MF-COF6. W przeciwieństwie do innych zgłoszonych podejść syntetycznych do generowania COFs18, ta metoda syntezy oparta na mikroprzepływach umożliwiła szybką syntezę włókien MF-COF w temperaturze i ciśnieniu otoczenia w ciągu kilku sekund. Ponadto, dzięki stabilności mechanicznej zsyntetyzowanych włókien MF-COF, wykazaliśmy, w jaki sposób taka metoda oparta na mikroprzepływach może umożliwić bezpośrednie drukowanie struktur 2D i 3D na powierzchniach. W niniejszym artykule pokazujemy, że metoda ta może być stosowana do rysowania struktur COF na różnych powierzchniach o różnych właściwościach chemicznych i fizycznych. Wierzymy, że ta nowatorska metoda otwiera nowe możliwości dla dobrze kontrolowanego wzornictwa i bezpośredniego drukowania COF w różnych orientacjach i na różnych powierzchniach.

<table><tbody><tr><td>Maski filmowe o wysokiej rozdzielczości</td><td>Microlitho, Wielka Brytania</td><td></td> <td>- Cechy do 5um</td></tr><tr><td>Wafle krzemowe</td><td>Silicon Materials Inc., Niemcy</td><td>4-calowe wafle krzemowe</td><td>Powierzchnia przednia: polerowana, powierzchnia tylna: trawiona</td></tr><tr><td>Zestaw elastomerów silikonowych (PDMS)</td> <td>Dow Corning, USA</td><td>Sylgard 184-chlorotrimetylosilan</td><td></td></tr> <tr><td></td><td>Sigma-Aldrich, Szwajcaria</td><td>386529</td><td>&ge; 97%, UWAGA: Używaj go tylko pod wyciągiem.</td></tr><tr><td>Dziurkacz do biopsji</td><td>Miltex GmBH, Niemcy</td><td>33-31A-P/25</td><td>1,5 mm</td></tr><tr><td>Szkiełko nakrywkowe szklane</td><td>Menzel-Glaser, Niemcy</td><td>BB024040SC</td><td>24 mm i razy; 40 mm, #5</td></tr><tr><td>Generator plazmy</td><td>Diener</td><td>Zepto B</td><td>Częstotliwość: 40 kHz i moc generatora plazmy: 0-30 W</td></tr><tr><td>Rurka PTFE</td><td>PKM SA, Szwajcaria</td><td>AWG-TFS-XXX</td><td>AWG 20TFS, rolka 100 m</td></tr><tr><td>neMESYS Pompy strzykawkowe</td><td>Cetoni GmbH, Niemcy</td><td>Niskociśnieniowy (290N)</td><td>-</td></tr><tr><td>Jednorazowy kubek</td><td>Semadeni, Szwajcaria</td><td>8323</td><td>PS, 200 ml</td></tr><tr><td>Plastikowa szpatułka</td><td>Semadeni, Szwajcaria</td><td>3340</td><td>L i razy; W : 135 mm x 14 mm</td></tr><tr><td>Skalpele jednorazowe</td><td>B. Braun, Szwajcaria</td><td>233-5320</td><td>Nr. 20</td></tr><tr><td>Jednorazowe strzykawki</td><td>VWR, Szwajcaria</td><td>613-3951</td><td>5 ml, Discardit II</td></tr><tr><td>Kwas octowy</td><td>Sigma-Aldrich, Szwajcaria</td><td>695092-500</td><td>>=99,7%, UWAGA: Używaj go tylko pod wyciągiem.</td></tr><tr><td>1,3,5-benzenotrikarbaldehyd</td><td>Aldrich-Fine Chemicals</td><td>753491</td><td>97%</td></tr><tr><td>1,3,5-tris(4-aminofenylo)benzen</td><td>Tokio Przemysł chemiczny</td><td>T2728-5G</td><td>>93,0%</td></tr></tbody></table>

synteza kowalencyjnych struktur organicznych (cof) oparta na mikroprzepływach: narzędzie do ciągłej produkcji włókien cof i bezpośredniego drukowania na powierzchni

Microfluidic-based Synthesis of Covalent Organic Frameworks (COFs): A Tool for Continuous Production of COF Fibers and Direct Printing on a Surface

Kowalencyjne struktury organiczne (COFs) to klasa porowatych materiałów kowalencyjnych, które są często syntetyzowane jako nieprzetworzone krystaliczne proszki. Pierwszy COF został zgłoszony w 2005 r., a wiele wysiłku skoncentrowano na ustanowieniu nowych ścieżek syntezy do jego przygotowania. Do tej pory większość dostępnych metod syntezy COF opiera się na mieszaniu luzem w warunkach solwotermicznych. W związku z tym rośnie zainteresowanie opracowywaniem systematycznych protokołów syntezy COF, które zapewniają precyzyjną kontrolę nad warunkami reakcji i poprawiają przetwarzalność COF na powierzchniach, co jest niezbędne do ich wykorzystania w praktycznych zastosowaniach. W niniejszym artykule przedstawiono nowatorską metodę syntezy COF opartą na mikroprzepływach, w której reakcja między dwoma elementami składowymi, 1,3,5-benzenotrikarbaldehydem (BTCA) i 1,3,5-tris(4-aminofenylo)benzenem (TAPB), zachodzi w kontrolowanych warunkach dyfuzji i w temperaturze pokojowej. Stosując takie podejście, otrzymujemy gąbczaste, krystaliczne włókna z materiału COF, zwanego dalej MF-COF. Właściwości mechaniczne MF-COF i dynamiczny charakter podejścia pozwalają na ciągłą produkcję włókien MF-COF i ich bezpośrednie drukowanie na powierzchniach. Ogólna metoda otwiera nowe potencjalne zastosowania wymagające zaawansowanego drukowania struktur 2D lub 3D COF na elastycznych lub sztywnych powierzchniach.

Urządzenie mikroprzepływowe wykorzystane w naszych badaniach zostało wykonane przy użyciu konwencjonalnego odlewania replikacyjnego PDMS20 i zawiera cztery mikroprzepływowe kanały wlotowe, które zbiegają się w głównym mikrokanale. Końcowe urządzenie mikroprzepływowe składa się ze strukturalnej warstwy PDMS oraz szklanego pokrywek służącego do zamknięcia wytłoczonych mikrokanałów, jak pokazano na Rysunku 1B.
<p class="jove_content" ...

Prezentujemy nowatorską, opartą na mikroprzepływach metodę syntezy kowalencyjnych struktur organicznych (COF). Pokazujemy, w jaki sposób to podejście można wykorzystać do produkcji ciągłych włókien COF, a także struktur 2D lub 3D COF na powierzchniach.

Synteza kowalencyjnych struktur organicznych (COF) oparta na mikroprzepływach: narzędzie do ciągłej produkcji włókien COF i bezpośredniego drukowania na powierzchni

Covalent Organic Frameworks (COFs) are a class of porous covalent materials which are frequently synthesized as unprocessable crystalline powders. The ...

Ogólnym celem tego podejścia jest zademonstrowanie, w jaki sposób platforma oparta na mikrofluidyce może być wykorzystana do wytwarzania ciągłych włókien kowalencyjnych szkieletów organicznych, które mogą być drukowane na powierzchniach w celu tworzenia struktur 2D i 3D. Pomimo znaczącego postępu w syntezie kowalencyjnych i organicznych szkieletów, opracowanie metody ułatwiającej przetwarzanie tych materiałów pozostaje wyzwaniem, co czyni to podejście bardzo obiecującym. Metoda ta wnosi istotny wkład w dziedzinę materiałów krystalicznych poprzez wprowadzenie nowatorskiego podejścia syntetycznego do produkcji ciągłych włókien kowalencyjnych i organicznych szkieletów, zwiększając tym samym ich podatność na przetwarzanie.Aby rozpocząć wytwarzanie urządzenia, w dygestorium umieść formę matrycę krzemową, wykonaną z czterocalowego wafla krzemowego, w eksykatorem próżniowym. Odmierz 100 µL chlorku trimetylosililu do szklanej fiolki i umieść fiolkę w eksykatorze próżniowym. Zamknij eksykator i poddaj go działaniu próżni.Pozostawić opary chlorku trimetylosilylu w celu ich osadzenia na powierzchni formy matki przez jedną godzinę. Następnie powoli odbarczyć eksykator. Wyjąć sylanizowaną formę matkę i zamknąć eksykator.Przechowywać silanizowaną formę w zamkniętym pojemniku lub w komorze z laminarnym przepływem powietrza. Następnie, w jednorazowym kubku, wymieszać za pomocą plastikowej szpatułki elastomer PDMS oraz czynnik sieciujący w stosunku wagowym 10:0,9. Odgazować mieszaninę w eksykatorze próżniowym przez 30 minut.Następnie ostrożnie umieść cztery ramki z PTFE na formie głównej, tak aby każda ramka otaczała pojedynczy wzór na formie. Wlej mieszaninę PDMS do ramek i na formę, aż zostaną wypełnione. Utwardź PDMS w piecu w temperaturze 70 °C przez dwie godziny, a następnie wyjmij formę z pieca i pozwól płytkom PDMS ostygnąć do temperatury pokojowej w komorze z laminarnym przepływem powietrza.Po ostygnięciu ostrożnie oddziel ramki od formy ręcznie. Delikatnie wysuń chipy PDMS z ramki. Użyj biopsyjnego wycinaka o średnicy 1,5 mm, aby wykonać otwory wlotowe i wylotowe na końcach kanałów mikroprzepływowych w chipach.Odetnij nadmiar PDMS z chipów, a powierzchnie chipów i szkiełek podstawkowych oczyść za pomocą taśmy klejącej. Umieść czyste chipy otworami kanałów skierowanymi do góry w generatorze plazmy, wraz z czterema szkiełkami podstawkowymi. Odsysaj powietrze z komory próbkowej i uruchom generator na jedną minutę.Następnie odpowietrz komorę i wyjmij chipy oraz szkiełka podstawowe poddane działaniu plazmy. Połącz każdy chip z odpowiednio przygotowanym szkiełkiem podstawowym, kierując otwarte kanały w dół i delikatnie dociskając chip do szkiełka. Umieść otrzymane chipy mikroprzepływowe w piekarniku w temperaturze 70 °C na co najmniej cztery godziny, aby wzmocnić wiązanie pomiędzy PDMS a szkłem.Aby rozpocząć przygotowania do syntezy, nabierz 3 mL 40 mM BTCA w kwasie octowym do strzykawki o pojemności 5 mL. Nabierz 3 mL 40 mM TAPB w kwasie octowym do drugiej strzykawki o pojemności 5 mL. Użyj rurek PTFE o średnicy wewnętrznej 0,8 mm i połącz je z jednej strony ze strzykawkami.Zamocuj obie strzykawki w pompie strzykawkowej. Następnie napełnij dwie strzykawki o pojemności 5 ml kwasem octowym, użyj przewodów PTFE o średnicy wewnętrznej 0,8 mm i podłącz przewody z jednej strony do strzykawek. Zabezpiecz te strzykawki w pompach strzykawkowych.Następnie należy pobrać czterokanałowy mikroprzepływowy chip jednowarstwowy. Drugi koniec rurki PTFE należy podłączyć do wlotów urządzenia mikroprzepływowego, a strzykawki do wlotów kanałów zewnętrznych. Do wylotu chipa należy podłączyć 15 centymetrowy odcinek rurki PTFE.Zabezpiecz koniec rurki w szalce Petri o średnicy 60 mm zawierającej 10 ml kwasu octowego. Obok szalki Petri umieść szkiełko nakrywkę. Ustaw każdą pompę strzykawkową na szybkość przepływu 100 µL/min i uruchom pompy.Odczekaj jedną minutę do ustabilizowania się przepływów, monitorując formowanie się włókna MF-COF w chipie. Zmień szybkości przepływu kwasu octowego i sprawdź rurkę wylotową. Jeśli przepływy osłonowe kwasu octowego są zbyt wysokie w stosunku do przepływów BTCA i TAPB, zawiesina mikrostruktury włókna MF-COF będzie zbyt rozcieńczona, aby utworzyć ciągłe włókno.Jeśli przepływy osłonowe kwasu octowego są zbyt niskie w stosunku do przepływów odczynników, wysokie stężenie włókien MF-COF spowoduje zatkanie rurki wylotowej. Ustaw każdą strzykawkę na szybkość przepływu 100 microliters per minute i odczekaj jedną minutę aż przepływy się ustabilizują. Gdy przepływy zostaną ustabilizowane, a ciągłe włókno MF-COF dotrze do końca rurki wylotowej, przytrzymaj koniec rurki kilka milimetrów nad powierzchnią.Powoli przesuwaj probówkę, aby uformować strukturę MF-COF. Odpowiednie właściwości mechaniczne wynikające z mikroskopowej organizacji MF-COF pozwalają na wykorzystanie włókien MF-COF do konformalnego tworzenia struktur 2D i 3D na saraphasis. Powoli unieś probówkę na dwa do trzech centymetrów nad powierzchnię, aby otrzymać wolnostojące, stabilne włókno MF-COF.Powoli opuszczaj probówkę, aby kontynuować rysowanie struktury 2D lub 3D bezpośrednio na szkiełku nakrywce. Włókna MF-COF zostały zsyntetyzowane z TAPB i BTCA przy użyciu czterokanałowego urządzenia mikrofluidycznego. Skaningowa mikroskopia elektronowa wykazała, że włókna składają się z połączonych ze sobą mikro- i nanowłókien w 3D porowatych struktur przypominających gąbkę, które zapewniają właściwości mechaniczne niezbędne do drukowania struktur 2D i 3D.Struktury 2D MF-COF zostały nadrukowane na powierzchniach szklanych poprzez wykreślanie kształtów w trakcie ciągłego wytwarzania włókna. Względną precyzję procesu drukowania podkreślono dodatkowo w eksperymentach z pisaniem na szkle. Włókna nie zlewały się podczas nakładania wzorów jedno na drugie, co umożliwiło drukowanie struktur 3D.Oprócz szkła, struktury MF-COF zostały wydrukowane na papierze chłonnym, tekturze, folii aluminiowej i polistyrenie. Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać, aby wszystkie etapy wytwarzania urządzenia mikroprzepływowego przeprowadzać w komorze z laminarnym przepływem powietrza, a wszystkie etapy syntezy obejmujące pracę z kwasem octowym w dygestorium. Po opracowaniu technika ten otwiera przed badaczami w dziedzinie materiałów krystalicznych drogę do eksploracji nowych zastosowań technologicznych wymagających zaawansowanego wzorowania struktur 2D i 3D wykonanych z włókien krystalicznych i różnych serafaz.Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać solidną wiedzę na temat tego, jak syntezować ciągłe włókna kowalencyjnych sieci organicznych z wykorzystaniem platformy mikrofluidycznej oraz jak drukować otrzymane włókna i serafazy w celu tworzenia struktur 2D i 3D.

microfluidic-based-synthesis-covalent-organic-frameworks-cofs-tool

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Urządzenia milifluidyczne są wykorzystywane do kontrolowanej syntezy nanomateriałów, czasowo-rozdzielczej analizy mechanizmów reakcji i katalizy ciągłego przepływu.

Millifluidyka do syntezy chemicznej i czasowo-rozdzielczych badań mechanistycznych

Dwa sąsiadujące ze sobą płyny przechodzące przez rowkowany kanał mikroprzepływowy mogą być skierowane tak, aby tworzyły osłonę wokół rdzenia prepolimerowego; określając w ten sposób zarówno kształt, jak i przekrój. Polimeryzacja inicjowana foto, taka jak chemia tiolowa, doskonale nadaje się do szybkiego zestalania płynu rdzeniowego w mikrofibrę o określonym rozmiarze i kształcie.

Mikroprzepływowa produkcja włókien polimerowych i biohybrydowych o wstępnie zaprojektowanym rozmiarze i kształcie

Synteza, aktywacja i charakterystyka celowo zaprojektowanych metaloorganicznych materiałów szkieletowych jest wyzwaniem, zwłaszcza gdy bloki budulcowe są niekompatybilne lub niechciane polimorfy są termodynamicznie faworyzowane nad pożądanymi formami. Opisujemy, w jaki sposób zastosowania wspomaganej rozpuszczalnikiem wymiany łączników, dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego proszku w kapilarnach i aktywacji poprzez suszenie nadkrytycznym CO2 mogą rozwiązać niektóre z tych wyzwań.

Synteza i charakterystyka funkcjonalizowanych struktur metaloorganicznych

Struktury metaloorganiczne są skuteczne w magazynowaniu gazu i katalizie heterogenicznej, ale typowe metody syntezy skutkują powstawaniem sypkich proszków, które są trudne do włączenia do inteligentnych materiałów. Przedstawiono metodę polegającą na pierwszym powlekaniu tkanin tlenkami metali ALD, w wyniku czego powstają konforemne warstwy MOF na tkaninach podczas syntezy solwotermicznej.

Synteza solwotermiczna MIL-96 i UiO-66-NH2 na warstwach atomowych osadzonych powłok z tlenku metalu na matach włóknistych

Solidne funkcjonalne powłoki katecholowe zostały wytworzone w jednym kroku przez bezpośrednią reakcję materiału znanego jako HKUST z syntetycznymi katecholami w warunkach beztlenowych. Tworzenie się jednorodnych powłok otaczających cały kryształ przypisuje się biomimetycznej aktywności katalitycznej dimerów Cu(II) na zewnętrznej powierzchni kryształów.

Funkcjonalizacja powierzchni struktur metaloorganicznych w celu poprawy odporności na wilgoć

Prezentowana jest prosta metoda wytwarzania nano-mikro wieloskalowych struktur dla funkcjonalnych powierzchni, poprzez agregację nanowłókien wytworzonych za pomocą anodowego filtra z tlenku glinu.

Wieloskalowe struktury agregowane za pomocą nadrukowanych nanowłókien dla powierzchni funkcjonalnych

Ten artykuł opisuje protokół wraz z analizą porównawczą dwóch technik wytwarzania mikroprzepływowego, a mianowicie fotolitografii/trawienia na mokro/termicznego łączenia oraz selektywnego trawienia indukowanego laserem (SLE), które są odpowiednie dla warunków wysokiego ciśnienia. Techniki te stanowią platformy umożliwiające bezpośrednią obserwację przepływu płynów w zastępczych ośrodkach przepuszczalnych i systemach szczelinowych w warunkach złożowych.

Techniki wytwarzania mikroprzepływowego do wysokociśnieniowych prób transportu nadkrytycznej piany CO2 w mikroskali w pękniętych zbiornikach niekonwencjonalnych

Ten protokół opisuje technikę druku 3D polegającą na wytwarzaniu struktur przypominających kości poprzez umieszczanie tuszu fosforanu wapnia w granulowanym podłożu na bazie żelatyny. Wydrukowane analogi kości są osadzane w dowolnym kształcie, z elastycznością umożliwiającą bezpośrednie zbieranie odcisku lub sieciowanie w żywej macierzy komórkowej w celu uzyskania konstruktów wielofazowych.

Ceramiczny biodruk dookólny w zawiesinach komórkowych do wytwarzania analogów kostnych

Tutaj demonstrujemy protokół dwuetapowej syntezy monokrystalicznych powłok rdzeniowych przy użyciu nieizostrukturalnej pary struktur metaloorganicznych (MOF), HKUST-1 i MOF-5, które mają dobrze dopasowane sieci krystaliczne.

Synteza monokrystalicznych struktur metaloorganicznych typu rdzeń-powłoka

Protokół syntezy i charakterystyki samoorganizujących się monowarstw szkieletu metaloorganicznego jest dostarczany przy użyciu szczepionych polimerami, kryształów metaloorganicznych (MOF). Procedura pokazuje, że cząstki MOF szczepione polimerem mogą być samoorganizujące się na granicy faz powietrze-woda, co skutkuje dobrze uformowanymi, wolnostojącymi, jednowarstwowymi strukturami, czego dowodem jest obrazowanie za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej.

Synteza i charakterystyka samoorganizujących się monowarstw metaloorganicznych z wykorzystaniem cząstek pokrytych polimerem

W tym artykule prezentujemy przygotowanie hydrożeli MOF-żelatynowych, które korzystają z termoorzewalnych właściwości żelatyny, związanych z jej separacją fazową przez koaceratację. Te kompozyty hydrożelowe wykazują wysokie obciążenie MOF, dużą porowatość i dobrą przestrzenną dystrybucję cząstek MOF w macierzy żelatynowej.

Przygotowanie żeli metalo-organicznych struktur hydrogeli z żelatyną poprzez koacerwację

Poznaj metodę mikroprzepływową do syntezy ciągłych włókien COF i drukowania struktur 2D oraz 3D na powierzchniach. Technika ta usprawnia przetwarzalność kowalencyjnych struktur organicznych.

Synteza kowalencyjnych struktur organicznych (COF) oparta na mikroprzepływach: narzędzie do ciągłej produkcji włókien COF i bezpośredniego drukowania na powierzchni (Wideo) | JoVE Journal

Synteza kowalencyjnych struktur organicznych (COF) oparta na mikroprzepływach: narzędzie do ciągłej produkcji włókien COF i bezpośredniego drukowania na powierzchni

Przeglądaj więcej filmów