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

Методическая статья

Синтез и Отслоение дискотического циркониевых Фосфаты для получения кристаллов коллоидное Liquid

8.3K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/53511

⸱

25 мая 2016 г.

 ,  ,  , 
1Department of Materials Science and Engineering, Texas A&M University, 2Artie McFerrin Department of Chemical Engineering, Texas A&M University, 3Mary Kay O'Connor Process Safety Center, Texas A&M University, 4Professional Program in Biotechnology, Texas A&M University

В этой статье

Краткое содержание

Разработан двумерный модельный материал из дискотического фосфата циркония. Неорганический кристалл с пластинчатой структурой был синтезирован гидротермальным, рефлюксным и микроволновым методами. При отслаивании органическими молекулами слоистые кристаллы могут превращаться в монослои, а нематическая жидкая кристаллическая фаза образуется при достаточной концентрации монослоев.

Аннотация

Из-за их обилия в природной глине и потенциального применения в передовых материалах, дискотические наночастицы представляют интерес для ученых и инженеров. Выращивание таких анизотропных нанокристаллов с помощью простого химического метода является сложной задачей. В этом исследовании мы изготавливаем дискотические нанодиски из фосфата циркония [Zr(HPO4)2·H2O] в качестве модельного материала с использованием гидротермального, рефлюксного и микроволнового методов. Рост кристаллов контролируется продолжительностью времени, температурой и концентрацией реагирующих веществ. Новизна применяемых методов заключается в том, что можно получать дискотические кристаллы размером от сотен нанометров до нескольких микрометров, сохраняя при этом хорошо контролируемую полидисперсность. Слоистые дискотические кристаллы превращаются в монослои путем отслаивания с гидроксидом тетра-(n)-бутиламмония [(C4H9)4NOH, TBAOH]. Отслоившиеся диски показывают изотропную и нематическую жидкокристаллические фазы. Размер и полидисперсность дисковых суспензий имеют большое значение при определении их фазового поведения.

Введение

Дискотического коллоидов естественно обильные в виде глины, асфальтенов, красных кровяных телец, и перламутра. Диапазон применения во многих инженерных систем, в том числе полимерных нанокомпозитов 1, биомиметические материалов, функциональные мембраны 2, дискотической исследования жидких кристаллов 3 и стабилизаторов эмульсии Пикеринга 4 разработаны на основе дискотической коллоидных nanodisks. Nanodisks с равномерностью и низкой полидисперсности имеет важное значение для изучения фаз и превращения жидких кристаллов. Цирконий фосфат (ZrP) представляет собой синтетический nanodisks с хорошо упорядоченной слоистой структурой и регулируемым соотношением сторон (толщиной более диаметра). Таким образом, исследование различных синтеза ZrP помогает установить фундаментальное понимание дискотического системы жидких кристаллов.

Структура ZrP была выяснена Клеарфилде и Stynes ​​в 1964 году 5. Для синтеза слоистых кристаллов ПРЗ, гидротермальных ирефлюкс методы, как правило , принимается 6,7. Гидротермальный метод дает хороший контроль над размером в диапазоне от 400 до 1500 нм и полидисперсностью в пределах 25% 6, в то время как метод рефлюкс дает меньшие кристаллы за то же время продолжительность. Микроволновая печь нагрева было доказано, что перспективным методом синтеза наноматериалов 8. Тем не менее, нет никаких документов, описывающих синтез ZrP основанный на микроволновым маршруте. Эффективный контроль над размером, соотношение сторон, и механизм роста кристаллов методом гидротермального систематически изучали нашей группой 6.

ZrP может быть легко отслоилась в монослоев в водных суспензий, и вспученного ZrP были также созданы в качестве жидких кристаллических материалов в группе Чэн 3,9-13. До сих пор, расслоенные ZrP nanodisks с различными диаметрами, скажем, разные соотношения сторон, были изучены к выводу, что больше ZrP имел I (изотропным) -N (нематик) перехода на более низком концентровка по сравнению с меньшим ZrP 3. Были также рассмотрены эффекты полидисперсности 3, соль 9 и температура 10,11 на формирование нематической жидкокристаллической фазы. Более того, другие фазы, такие как Sematic жидкокристаллической фазы, которые были исследованы, а 13,14.

В этой статье мы покажем экспериментальную реализацию такой коллоидной ZrP nanodisks суспензии. Слоистые кристаллы ZrP синтезируются с помощью различных методов, а затем отслаивается в водных средах для получения однослойных nanodisks. В конце концов, мы показываем жидкокристаллические фазовые переходы, демонстрируемые этой системы. Примечательным аспектом этих дисков является их сильно анизотропными характер , что отношение толщины к диаметру находится в диапазоне от 0,0007 до 0,05 , в зависимости от размера дисков 3. Сильно анизотропные однослойные nanodisks создать модельную систему для изучения фазовых переходов в суспензии nanodisks.

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

Протокол

1. Синтез альфа-ZrP Использование гидротермальный метод

  1. Растворите 6 г октагидрата цирконилхлорида (ZrOCl 2 · 8H 2 O) в 3,75 мл деионизованной (ДИ) воды в 150 мл круглодонную колбу.
  2. Добавить 48 мл 15 М фосфорной кислоты (H 3 PO 4) , по каплям к раствору ZrOCl 2 , полученного на стадии 1.1 , с последующим добавлением 8,25 мл деионизованной (ДИ) воды при интенсивном перемешивании.
  3. Налейте в результате гелеобразную смесь в тефлоном под давлением сосуд объемом 80 мл. Поместите сосуд в гидротермальной автоклав, состоящий из оболочки из нержавеющей стали и крышкой, нажимной диск, а затем затянуть хорошо.
  4. Поместите гидротермальный автоклав в конвекционной печи при 200 ° С в течение 24 ч.
  5. После завершения реакции, позволяют гидротермальный автоклав остыть 8 ч до комнатной температуры при атмосферном охлаждении.
  6. Соберите альфа-ZrP дисков в центрифужные пробирки после охлаждения с помощью центрифуги на 2,500 мкг в течение 10 мин. Собирают жидкую часть в контейнер для отходов, так как надосадочную жидкость содержит непрореагировавший фосфорную кислоту, которая вызывает коррозию.
    1. Затем добавляют 40 мл воды к альфа-ZRP, вортексе в течение 1 мин и центрифугируют при 2500 х г в течение 10 мин еще раз. Повторите этот шаг 3 раза, чтобы убедиться, что вся кислота вымывается.
  7. Сухие ZRP-вода липкий смесь в печи при температуре 65 ° С в течение 8 часов, а затем измельчить его с помощью ступки и пестика.

2. Синтез альфа-ZrP по методу рефлюксной

  1. Смешайте 6 г ZrOCl 2 · 8H 2 O с 50 мл 12 М фосфатного кислоты в 150 мл круглодонную колбу.
  2. Смесь полученного на стадии 2.1 рефлюкс в масляной бане при 94 ° С в течение 24 ч.
  3. Промыть продукт с деионизированной водой три раза ниже того же протокола на шаге 1.6, а затем сушат в сушильном шкафу при температуре 65 ° С в течение 8 часов.
  4. Измельчить высушенный образец громоздкий в порошок с помощью ступки и пестика, и запаса пили последующего использования.

3. Синтез альфа-ZrP с помощью СВЧ-полуавтоматическим методом

  1. Добавляют 1 г ZrOCl 2 · 8H 2 O в 9 мл раствора 12 М фосфорной кислоты, и перемешивают полученную смесь хорошо в сцинтилл ционный флакон на 20 мл.
  2. Налейте 5 мл указанной выше смеси в стеклянный сосуд объемом 10 мл, указанного для микроволнового реактора.
  3. Заданное значение температуры реакции при 150 ° С, предел давления при 300 фунтов на квадратный дюйм и оставляют реакционную смесь происходить в течение 1 часа.
  4. После завершения реакции, пусть стеклянный сосуд остыть в течение приблизительно 15 мин, а затем следуют той же процедуре, что и на этапах 1.6-1.7 для кислотной промывки и сушки альфа-ZRP кристаллов.

4. Отслоение Layered альфа-ZrP в монослоев

  1. Дисперсные 1 г а-ZrP в 10 мл деионизированной воды в сцинтилл ционный флакон на 20 мл.
  2. Добавить 2,2 мл TBAOH (40 мас.%) К нему и вихре в течение по крайней мере, на 40 сек. Обратите внимание на то, что молярное отношение Zr: TBAOH хранится как 1: 1.
  3. Разрушать ультразвуком в результате концентрированной суспензии в течение 1-2 ч и оставляют на 3 -х дней , чтобы обеспечить полный интеркаляцию TBA + ионов и полного отслоения кристаллов. По желанию, концентрированная суспензия может быть разбавлена ​​(от 2 до 3 раз разведение) с водой для получения лучшего отшелушивания.
  4. Центрифуга слущенных проб с высокой скоростью вращения (2500 XG) в течение 1 ч, чтобы удалить частично расслоенной кристаллы урегулирована в нижней части. Соберите верхнюю часть (расслоенный ZrP) в другом контейнере, и повторите процедуру, пока осадок не будет найден.

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

Результаты

На рисунке 1а-с показывают СЭМ изображения альфа-ZrP nanodisks , полученных из гидротермальных, рефлюкс, и с помощью микроволн методов соответственно. Было обнаружено, что альфа-ZRP nanodisks показывают шестиугольную форму и разной толщины, в зависимости от условий синтеза и готовых методов. Ранее сообщалось исследование из нашей группы 6 предполагает , что за время роста кристалла 48 часов или выше, край дисков становятся более резкими. Как правило, метод дае...

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

Обсуждение

Метод рефлюкс является хорошим вариантом для создания меньшего размера альфа-ZrP с одинаковым диаметром и толщиной. Подобно гидротермальным методом, метод рефлюкс ограничена временем подготовки. В общем, это занимает больше времени для кристаллов расти.

Чем дольше время реакции, необходимое для метода рефлюкс может привести к nanodisks с большим размером. Средний размер слущенных nanodisks измеряется с помощью динамического рассеяния света (DLS). В этом исследовании, размер отслоившейся ZrP ...

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

Раскрытие информации

Раскрывать нечего.

Благодарности

Эта работа частично поддержана NSF (DMR-1006870) и NASA (NASA-NNX13AQ60G). X. Z. Wang выражает благодарность за поддержку от Центра безопасности процессов Mary Kay O'Connor (MKOPSC) в Техасском университете A&M. Мы также благодарим Минь Шуай за ее руководство.

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

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
<сильно>материал
цирконилхлорид октагидратFischer Scientific (Acros Organics)AC20837-500098% +
o-фосфорная кислотаFischer ScientificA242-1≥ 85%
тетрабутиламмония гидроксидAcros Organics (Acros Organics)AC17661002540% масс. (1.5  M
)Equipment
Reaction OvenFischer ScientificCL2 CentrifugeIsotemperature Oven (Температура до 350  ° c)
ЦентрифугаThermo ScientificНедоступнаСкорость вращения: 100 - 4,000 об/мин
Микроволновый реакторCEM CorporationDiscover и Explorer SPTemp. до 300  ° C, мощность до 300  W, давление до 30°nbsp; бар

Ссылки

  1. Usuki, A., Hasegawa, N., Kato, M. Polymer-clay nanocomposites. Adv Polym. 179, 135-195 (2005).
  2. Varoon, K., et al. Dispersible Exfoliated Zeolite Nanosheets and Their Application as a Selective Membrane. Science. 334, 72-75 (2011).
  3. Mejia, A. F., et al. Aspect ratio and polydispersity dependence of isotropic-nematic transition in discotic suspensions. Phys. Rev. E. 85, (1-12) 061708(2012).
  4. Bon, S. A. F., Colver, P. J. Pickering miniemulsion polymerization using Laponite clay as a stabilizer. Langmuir. 23, 8316-8322 (2007).
  5. Clearfield, A., Stynes, J. A. The preparation of crystalline zirconium phosphate and some observations on its ion exchange behaviour. J. Inorg. Nucl. Chem. 26, 117-129 (1964).
  6. Shuai, M., Mejia, A. F., Chang, Y. W., Cheng, Z. Hydrothermal synthesis of layered alpha-zirconium phosphate disks: control of aspect ratio and polydispersity for nano-architecture. Crystengcomm. 15, 1970-1977 (2013).
  7. Sun, L., Boo, W. J., Sue, H. -J., Clearfield, A. Preparation of α-zirconium phosphate nanoplatelets with wide variations in aspect ratios. New J. Chem. 31, 39-43 (2007).
  8. Gawande, M. B., Shelke, S. N., Zboril, R., Varma, R. S. Microwave-sssisted chemistry: synthetic applications for rapid assembly of nanomaterials and organics. Accounts Chem. Res. 47, 1338-1348 (2014).
  9. Chang, Y. -W., Mejia, A. F., Cheng, Z., Di, X., McKenna, G. B. Gelation via Ion Exchange in Discotic Suspensions. Phys. Rev. Lett. 108, (1-5) 247802(2012).
  10. Wang, X., et al. Thermo-sensitive discotic colloidal liquid crystals. Soft Matter. 10, 7692-7695 (2014).
  11. Li, H., Wang, X., Chen, Y., Cheng, Z. Temperature-dependent isotropic-to-nematic of charged nanoplates. Phys. Rev. E. 90, (1-4) 020504(2014).
  12. Chen, M., et al. Observation of isotropic-isotropic demixing in colloidal platelet-sphere mixtures. Soft Matter. 11 (28), 5775-5779 (2015).
  13. Sun, D., Sue, H. -J., Cheng, Z., Martinez-Raton, Y., Velasco, E. Stable smectic phase in suspensions of polydisperse colloidal platelets with identical thickness. Phys. Rev. E. 80, (1-6) 041704(2009).
  14. Wong, M., et al. Large-scale self-assembled zirconium phosphate smectic layers via a simple spray-coating process. Nat. Commun. 5, 3589(2014).
  15. Diaz, A., et al. Zirconium phosphate nano-platelets: a novel platform for drug delivery in cancer therapy. Chem. Commun. 48, 1754-1756 (2012).
  16. Kim, H. -N., Keller, S. W., Mallouk, T. E., Schmitt, J., Decher, G. Characterization of zirconium phosphate/polycation thin films grown by sequential adsorption reactions. Chem. Mater. 9, 1414-1421 (1997).

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

Перепечатки и разрешения

Теги

Фосфат циркониягидротермальный методметод обратного холодильникамикроволновой синтездискотические нанодискиметод эксфолиациигидроксид тетрабутиламмонияжидкокристаллические фазысканирующая электронная микроскопияпросвечивающая электронная микроскопия
Синтез и Отслоение дискотического циркониевых Фосфаты для получения кристаллов коллоидное Liquid
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.