Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Gyroid Никель Наноструктуры из диблоксополимера супрамолекул

12.1K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/50673

⸱

28 апреля 2014 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Polymer Chemistry, Zernike Institute for Advanced Materials, University of Groningen, 2Materials Science, Zernike Institute for Advanced Materials, University of Groningen, 3ICTM - Center for Catalysis and Chemical Engineering

В этой статье

Краткое содержание

Эта статья описывает приготовление вполне упорядоченных никеля nanofoams через осаждения химическим металла на нанопористых шаблонов, полученных из супрамолекул основе самоорганизующихся диблоксополимера.

Аннотация

Нанопористые металлические пены обладают уникальным сочетанием свойств - они каталитически активный, термически и электропроводящий, и, кроме того, имеют высокую пористость, высокий коэффициент поверхности к объему и прочности к весу. К сожалению, общие подходы к подготовке металлических наноструктур оказать материалов с высокой неупорядоченной архитектуры, которые могут оказать негативное влияние на их механические свойства. Блок-сополимеры имеют возможность самостоятельно собираться в упорядоченных наноструктур и может быть применен в качестве шаблонов для подготовки вполне упорядоченных металлических nanofoams. Здесь мы опишем применение блок-сополимер на основе супрамолекулярной комплекса - полистирол-блок-поли (4-винилпиридина) (pentadecylphenol) ПС-б-P4VP (PDP) - в качестве прекурсора для благоустроенном никеля нанопены. Супрамолекулярной комплексы проявляют поведение фазы, похожий на обычные блок-сополимеров и может самостоятельно собираться в биконтинуальной gyroid морфологии остроумияч два PS сети, помещенные в P4VP (PDP) матрицы. PDP может быть растворен в этаноле приводит к образованию пористой структуры, которые могут быть заполняют металла. Использование неэлектролитического технику металлизации, никель может быть вставлен в каналах шаблона. Наконец, оставшийся полимер может быть удален с помощью пиролиза из неорганического полимера / nanohybrid в результате чего нанопористого пеноникеля с обратной gyroid морфологии.

Введение

Есть несколько методов, доступных для подготовки металлических nanofoams: dealloying 1-3, золь-гель подходы 4,5, nanosmelting 6,7, и синтез сгорания 8. В процессе dealloying исходный материал обычно бинарного сплава, например, сплав серебра и золота. Менее благородный металл, серебро в данном случае, могут быть удалены либо химически, либо электрохимически полученный в неупорядоченной пористой пены с золотым наноразмерных связок. В синтезе сгорания, металл смешивают с энергичным предшественника, который высвобождает энергию во время его разложения и приводит в образованию металлической нанопены 8. Исследования механического поведения металлических пен показывают, что в неупорядоченных архитектур напряжения не может быть передана эффективно с наноуровне связки с общей макроуровне 9-11. Таким образом хорошо упорядоченные металлические nanofoams должны иметь превосходные механические свойства по сравнению снеупорядоченных те.

Идея представлены здесь является использование блок-сополимеры, которые самоорганизуются в упорядоченные наноструктуры в качестве предшественников металлических nanofoams. В зависимости от состава блок-сополимера, от общего количества мономерных звеньев и степени отталкивания между химически соединенных между собой блоков, различные морфологии появляются, такие как: сферической, цилиндрической, пластинчатые, двойной gyroid, шестиугольной перфорированной пластинчатые и другие 12-14 . Кроме того, полимерные блоки может снизиться выборочно приводит к нанопористых материалов 15. Наиболее распространенные методы включают в себя: озонолиза 16-18, УФ-излучения 19, реактивного ионного травления 20-22, и растворение 23-26. Сформированные пористые структуры могут быть засыпаны с различными неорганическими материалами. Оксиды металлов (например, SiO 2, TiO 2), как правило, вводят через золь-гель методом в каналы шаблона 27-29. Эльectrochemical и нанесения покрытия методом химического обычно используются для нанесения металла в или на шаблонах 30-33. Наконец, оставшийся полимер может быть удален из неорганического полимера / nanohybrid через пиролиза 2, растворение 34,35, 28,29 УФ деградации, и т.д.

В нашем подходе мы начинаем с супрамолекулярной комплекса полистирол-блок-поли (4-винилпиридина) (ПС-б-P4VP) диблоксополимера и Амфифильный pentadecylphenol (PDP) молекулы. Этот комплекс является результатом водородных связей между НДП и пиридиновых колец (рис. 1а). Состав блок-сополимера отправной и количество добавленного PDP выбраны таким образом, что полученная система самосборки в биконтинуальной двойной gyroid морфологии с сетью PS и P4VP (PDP) матрицы (рис. 1b). Молекулы PDP становятся избирательно растворяют в этаноле и P4VP цепей распада в сеть PS (Рисунок 1в). Затем, используя метод неэлектрического обшивки, никель осаждается в порах матрицы (фигура 1d). После удаления оставшегося полимера через пиролиза, вполне упорядоченное gyroid никель нанопены получается (рис. 1д).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Получение и определение характеристик ПС-б-P4VP (PDP) Комплексы с двойной Gyroid морфологии

  1. Взвесить полистирол-блок-поли (4-винилпиридина) (PS-B-P4VP) и pentadecylphenol (PDP, M R = 304,51 г / моль). Для того, чтобы получить gyroid морфологию, тщательно выбрать количество PDP должен быть (массовая доля P4VP (PDP) блока (F P4VP (PDP)) должна быть прибл. 0,6 в соответствии с фазовой диаграммой линейных AB диблок-сополимеров). Как правило, 0,15-0,2 г PS-B-P4VP приводит к PS-B-P4VP (PDP) пленки толщиной 50-100 мкм (при условии, что диаметр чашки Петри, используемого на стадии 1.3 5-6 см). Рассчитайте количество PDP в соответствии со следующими уравнениями:
    figure-protocol-1
    figure-protocol-2
    figure-protocol-3
    figure-protocol-4
  2. Растворите PS-B-P4VP и PDP в хлороформе и размешать в течение нескольких часов при комнатной температуре. Поддержание концентрации полимера ниже 2% мас чтобы обеспечить однородное образование комплекса.
  3. Налейте раствор в стеклянную чашку Петри.
  4. Место блюдо в насыщенной атмосфере хлороформ.
  5. Примерно через неделю, вынуть чашку Петри. Пленка супрамолекулярной комплекса формируется.
  6. Сушат пленки в вакууме при 30 ° С в течение ночи.
  7. Поместите пленку в специально разработанной контейнера, удалите воздух из контейнера, а затем заполнить ее азотом. Отжиг пленки в течение 4 дней в духовке при 120 ° С в атмосфере N2 с 1 бар избыточного давления.
  8. Отрежьте небольшой кусочек пленки, добавить его на эпоксидной и вылечить его в течение ночи при 40 ° С.
  9. Микротомных образца до толщины около 80 нм с использованием алмазного ножа при комнатной температуре. Чтэ microtomed раздел будет плавать на воде. Возьмите их и разместить на Cu сетей.
  10. Положите сетки, содержащие microtomed разделы в банку с йодом. После того как образцы 45 мин запятнанные и готов к просвечивающей электронной микроскопии.
  11. Вставьте решетки Cu с окрашенных срезах в электронном микроскопе при ускоряющем напряжении 120 кВ и изображения образца.
  12. Вставьте кусок пленки (полученной после шага 1.7) в держатель образца для малых углов рассеяния рентгеновских лучей и исправить ее с лентой Kapton. Поместите подготовленный держатель образца в машину для SAXS. Откройте рентгеновской затвор и приобрести картину рассеяния 2D. Интеграция полученное 2D рисунок и анализировать положение пиков в 1D узором.

2. Генерация и характеристика пористой структуры

  1. Положите кусок фильма (полученный после стадии 1.7) в этаноле и держать его в течение трех дней.
  2. Высушите образец.
  3. Предварительночистить образцы для 1 измерений ЯМР Н. Растворите PDP порошок, ПС-б-P4VP порошок, супрамолекулярную сложную ПС-б-P4VP (PDP) (после стадии 1.7), и пористую пленку (после шага 2.2) в CDCl 3. Запись 1 H ЯМР-спектры при комнатной температуре.
  4. Анализ PS-B-P4VP порошок, надмолекулярная комплекс PS-B-P4VP (PDP) (после стадии 1.7) и пористую пленку (после шага 2.2) методом дифференциальной сканирующей калориметрии. Используйте модулированный режим со скоростью нагрева / охлаждения 1 ° С / мин, с амплитудой колебаний 0,5 ° С, и периода колебаний 60 сек. Равновесие образцов при -30 ° С, нагревают до 180 ° С, охлаждают до -30 ° С, а затем нагреть снова до 180 ° C. Используйте данные из второй цикла нагрева для анализа.
  5. Дегазации пористого образца (после шага 2,2) в течение 8 ч при комнатной температуре и в течение 18 ч при 70 ° С и выполнять измерения адсорбции азота при 77 К.
  6. С помощью соответствующего программного обеспечения (например, WinADР) и модели для анализа полученных изотерм.
  7. Сушат пористого образца (после шага 2.2) при 50 ° С в течение 8 часов и дегазации при комнатной температуре и давлении 0,5 Па в течение 2 часов.
  8. Выполните ртутной порозиметрии.

3. Установка Никель в шаблоне полимеров

  1. Взвесить хлорида олова (SnCl 2, М г = 189.60 г / моль) и приготовить водный раствор (0,1 М SnCl 2 / 0,1 М HCl; 1,896 г SnCl 2, 0,8 мл HCl и 100 мл H 2 O). Поставьте решение на шейкере в течение ночи, чтобы обеспечить полное растворение SnCl 2.
  2. Взвесить хлорид палладия (PdCl 2, М г = 177,33 г / моль) и приготовить водный раствор (0,0014 М PdCl 2 / 0,25 М HCl; 0,025 г PdCl 2, 2 мл HCl и 100 мл H 2 O).
  3. Подготовьте часть 1 гальванической ванны никеля: отвешивать 6,78 г никеля сульфат гексагидрат (NiSO 4 • 6H 2 O, M г = 2620,85 г / моль) и 2 г цитрата натрия (Na 3 C 6 H 5 O 7, M R = 258,06 г / моль) и растворить их в 80 мл воды. Добавить 828 мкл 85% молочной кислоты (C 3 H 6 O 3, М г = 90,08 г / моль).
  4. Подготовка части 2 никель гальваническую ванну: масса из 0,2 г борана диметиламин комплекс ((CH 3) 2 NHBH 3, M R = 58,92 г / моль) и растворить его в 20 мл воды. Боран диметиламином комплекс следует обращаться в хорошо проветриваемом вытяжной шкаф.
  5. Погружают пористую пленку (после шага 2.2) в водном растворе хлорида олова (шаг 3,1) в течение 1 часа.
  6. Промыть пленку тщательно деионизированной водой.
  7. Погрузите пленку в водном растворе хлорида палладия (шаг 3,2) в течение 1 часа.
  8. Промыть пленку тщательно деионизированной водой.
  9. Смешайте часть 1 (3.3) и часть 2 (3.4) из никелевого покрытия ванной. Доводят рН до 7,0 с помощью гидроксида аммония.
  10. Погрузите пленку в никелевого покрытия бане в течение 1 часа.
  11. Промыть пленку тщательно деионизированной водой.
  12. Высушите образец.
  13. Подготовьте покрытая образец для электронной микроскопии, как описано в шагах 1,8-1,9.
  14. Изображение образец как описано в шаге 1.11.
  15. Вставьте Cu сетки, содержащие разделы покрытием образца в высоком разрешении электронного микроскопа. Приобретать ПЭМ микрофотографии с высоким разрешением. Соблюдайте образец под микроскопом и выбрать область для элементного анализа по EDX (энергетической дисперсии Анализ рентгеновских лучей). Проведение анализа EDX выбранной области и проанализировать полученную картину.

4. Воздействие на обратной Gyroid пеноникеля

  1. Поставьте никелированный фильм (после шага 3,12) в духовке при 350 ° С и сохранить его от 1 часа до 4 дней.
  2. Прикрепите образец в держателе образца с помощью серебряной пасты.
  3. Вставка образца в сканирующем электронном микрофонroscope. Приобретать несколько изображений образца.
  4. Вставка образца в сканирующем электронном микроскопе. Соблюдайте образец под микроскопом и выбрать область для элементного анализа по EDX. Проведение анализа EDX выбранной области и проанализировать полученную картину.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Морфология надмолекулярных комплексов ПС-б-P4VP (PDP) х рассматривается ТЕА и МУР рисунках 2а и 2б показать типичные gyroid модели представительной супрамолекулярной комплекса. Дважды волны и узоры универсал колеса, что, как известно, представляют прогнозы до (211) и (111) плоскость gyroid элементарной ячейки, соответственно. Блок домены PS ярче в то время как P4VP (PDP) х блок домены темным из-за окрашивания йода. Рисунок 2c представляет собой двойной волны ша...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Супрамолекулярные комплексы успешно применяются в качестве прекурсоров для вполне упорядоченных металлических nanofoams. В этом методе, важным шагом является получение соответствующего шаблона, то есть шаблон с gyroid морфологии. На фазовой диаграмме блок-сополимеров gyroid область очень мала, и это довольно трудно оказывать целевое. Это означает, что если обычные блоксополимеры используют в качестве исходных материалов, довольно сложный синтез имеет не должна быть повторена до желаемого состава, что приводит к...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы заявляют каких конкурирующих финансовых интересов.

Благодарности

Мы признаем, финансовую поддержку в Цернике института перспективных материалов, Университета Гронингена.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Reagents
PS-b-P4VP, CAS: 26222-40-2Polymer Source Inc.P9009-S4VP
P136-S4VP
P5462-S4VP
P3912-S4VP		дополнительная информация представлена в отдельной таблице
PDPAldrichP4402-100G-Aдважды перекристаллизованный из петролейного эфира
SnCl2Acros Organics196981000
PdCl2Aldrich76050
NiSO4• H2OSigma-Aldrich227676
Молочная кислотаAldrichW261106
Тринатриевая сольSigma-AldrichC3674
Комплекс диметиламинов боранаAldrich180238
PS-b-P4VP каталожный номер<>Mn (PS), г/мольMn(P4VP), г/моль<>PDI
P9009-S4VP2400095001.1
P136-S4VP31900132001.08
P5462-S4VP37500160001.3
P3912-S4VP41500175001.07
лимонной кислоты strongstrong

Ссылки

  1. Erlebacher, J., Aziz, M. J., Karma, A., Dimitrov, N., Sieradzki, K. Evolution of nanoporosity in dealloying. Nature. 410, 450-453 (2001).
  2. Nyce, G. W., Hayes, J. R., Hamza, A. V., Satcher, J. H. Synthesis and Characterization of Hierarchical Porous Gold Materials. Chem. Mater. 19, 344-346 (2007).
  3. Detsi, E., van de Schootbrugge, M., Punzhin, S., Onck, P. R., De Hosson, J. T. M. On tuning the morphology of nanoporous gold. Scripta Mater. 64, 319-322 (2011).
  4. Gacoin, T., Lahlil, K., Larregaray, P., Boilot, J. P. Transformation of CdS Colloids: Sols, Gels, and Precipitates. J. Phys. Chem. B. 105, 10228-10235 (2001).
  5. Tappan, B. C., Steiner, S. A., Luther, E. P. Nanoporous Metal Foams. Angew. Chem. Int. Ed. 49, 4544-4565 (2010).
  6. Leventis, N., Chandrasekaran, N., Sadekar, A. G., Sotiriou-Leventis, C., Lu, H. One-Pot Synthesis of Interpenetrating Inorganic/Organic. Networks of CuO/Resorcinol-Formaldehyde Aerogels: Nanostructured Energetic Materials. J. Am. Chem. Soc. 131, 4576-4577 (2009).
  7. Leventis, N., Chandrasekaran, N., Sotiriou-Leventis, C., Mumtaz, A. Smelting in the age of nano: iron aerogels. J. Mater. Chem. 19, 63-65 (2009).
  8. Tappan, B. C., et al. Ultralow-Density Nanostructured Metal Foams: Combustion Synthesis, Morphology, and Composition. J. Am. Chem. Soc. 128, 6589-6594 (2006).
  9. Ashby, M. F., et al. Metal Foams: a Design Guide. Butterworth-Heinemann. , (2000).
  10. Tekoglu, C. Size Effects in Cellular Solids. , University of Groningen. (2007).
  11. Amsterdam, E. Structural Performance and Failure Analysis of Aluminium Foams. , University of Groningen. (2008).
  12. Bates, F. S., Fredrickson, G. H. Block Copolymer Thermodynamics: Theory and Experiment. Annu. Rev. Phys. Chem. 41, 525-527 (1990).
  13. Hamley, I. W. The Physics of Block Copolymers. , Oxford University Press. (1998).
  14. Abetz, V., Simon, P. Advances in Polymer Science. , Springer. Berlin / Heidelberg. (2005).
  15. Hillmyer, M. A. Nanoporous Materials from Block Copolymer Precursors. Adv. Polym. Sci. 190, 137-181 (2005).
  16. Mansky, P., Harrison, C. K., Chaikin, P. M., Register, R. A., Yao, N. Nanolithographic templates from diblock copolymer thin films. Appl. Phys. Lett. 68, 2586-2588 (1996).
  17. Hashimoto, T., Tsutsumi, K., Funaki, Y. Nanoprocessing Based on Bicontinuous Microdomains of Block Copolymers: Nanochannels Coated with Metals. Langmuir. 13, 6869-6872 (1997).
  18. Chen, S. -Y., Huang, Y., Tsiang, R. C. -C. Ozonolysis efficiency of PS-b-PI block copolymers for forming nanoporous polystyrene. J. Polym. Sci. A Polym. Chem. 46, 1964-1973 (2008).
  19. Thurn-Albrecht, T., et al. Nanoscopic Templates from Oriented Block Copolymer Films. Adv. Mater. 12, 787-791 (2000).
  20. Park, M., Harrison, C., Chaikin, P. M., Register, R. A., Adamson, D. H. Block Copolymer Lithography: Periodic Arrays of ~1011 Holes in 1 Square Centimeter. Science. 276, 1401-1404 (1997).
  21. Cheng, J. Y., Ross, C. A., Thomas, E. L., Smith, H. I., Vancso, G. J. Fabrication of nanostructures with long-range order using block copolymer lithography. Appl. Phys. Lett. 81, 3657-3659 (2002).
  22. Voet, V. S. D., et al. Interface Segregating Fluoralkyl-Modified Polymers for High-Fidelity Block Copolymer Nanoimprint Lithography. J. Am. Chem. Soc. 133, 2812-2815 (2011).
  23. Zalusky, A. S., Olayo-Valles, R., Wolf, J. H., Hillmyer, M. A. Ordered Nanoporous Polymers from Polystyrene-Polylactide Block Copolymers. J. Am. Chem. Soc. 124, 12761-12773 (2002).
  24. Crossland, E. J. W., et al. A Bicontinuous Double Gyroid Hybrid Solar Cell. Nano Lett. 9, 2807-2812 (2008).
  25. Uehara, H., et al. Size-Selective Diffusion in Nanoporous but Flexible Membranes for Glucose Sensors. ACS Nano. 3, 924-932 (2009).
  26. Voet, V. S. D., et al. Poly(vinylidene fluoride)/nickel nanocomposites from semicrystalline block copolymer precursors. Nanoscale. 5, 184-192 (2013).
  27. Brinker, C. J., Scherer, J. W. Sol-Gel Science: The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing. , Academic Press. (1990).
  28. Hsueh, H. -Y., et al. Inorganic Gyroid with Exceptionally Low Refractive Index from Block Copolymer Templating. Nano Lett. 10, 4994-5000 (2010).
  29. Hsueh, H. -Y., Ho, R. -M. Bicontinuous Ceramics with High Surface Area from Block Copolymer Templates. Langmuir. 28, 8518-8529 (2012).
  30. Riedel, W. Electroless Nickel Plating. , (1991).
  31. Mallory, G. O., Hajdu, J. B. Electroless Plating: Fundamentals and Applications. American Electroplaters and Surface Finishers Society. , (1992).
  32. Djokić, S. S. Modern Aspects of Electrochemistry. , Springer US. (2002).
  33. Djokić, S. S., Cavallotti, P. L. Modern Aspects of Electrochemistry. , Springer. New York. (2010).
  34. Crossland, E. J. W., Ludwigs, S., Hillmyer, M. A., Steiner, U. Control of gyroid forming block copolymer templates: effects of an electric field and surface topography. Soft Matter. 6, 670-676 (2010).
  35. Hsueh, H. Y., et al. Nanoporous Gyroid Nickel from Block Copolymer Templates via Electroless Plating. Adv. Mater. 23, 3041-3046 (2011).
  36. Vukovic, I., et al. Supramolecular Route to Well-Ordered Metal Nanofoams. ACS Nano. 5, 6339-6348 (2011).
  37. Mao, H., Hillmyer, M. A. Macroscopic samples of polystyrene with ordered three-dimensional nanochannels. Soft Matter. 2, 57-59 (2006).
  38. Kobayashi, Y., Tadaki, Y., Nagao, D., Konno, M. Deposition of Gold Nanoparticles on Polystyrene Spheres by Electroless Metal Plating Technique. J. Phys. Conf. Ser. 61, 582-586 (2007).
  39. Finnefrock, A. C., Ulrich, R., Toombes, G. E., Gruner, S. M., Wiesner, U. The plumber's nightmare: a new morphology in block copolymer-ceramic nanocomposites and mesoporous aluminosilicates. J. Am. Chem. Soc. 125, 13084-13093 (2003).
  40. Tyler, C. A., Morse, D. C. Orthorhombic Fddd network in triblock and diblock copolymer melts. Phys. Rev. Lett. 94, 208-302 (2005).
  41. Ranjan, A., Morse, D. C. Landau theory of the orthorhombic Fddd phase. Phys. Rev. E. 74, 011803(2006).
  42. Kim, M. I., et al. Stability of the Fddd Phase in Diblock Copolymer Melts. Macromolecules. 41, 7667-7670 (2008).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Gyroid Никель Наноструктуры из диблоксополимера супрамолекул
Свяжитесь с нами
Рекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

Авторские права © 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.