Summary
CaCuSi 4 O 10和BaCuSi 4 O 10的制备和剥落描述。一旦在热水中搅拌,CaCuSi 4 O 10自发地去除角质成单层,而BaCuSi 4 O 10条规定超声在有机溶剂中。近红外(NIR)成像示出这些材料的近红外发射特性,以及这些纳米材料的水分散液对溶液的处理是有用的。
Abstract
在古老的过去与现代连接的可视化例子中,我们描述CaCuSi 4 O 10和BaCuSi 4 O 10,历史悠久的埃及蓝色和汉蓝颜料的着色组分的制备和剥落。这些材料的散装形式通过两个合成的熔融焊剂和固态航线,这提供了对产品的微晶尺寸一定的控制。熔融焊剂过程是耗费时间的,但它会产生相对大的晶体,在较低的反应温度。相比较而言,固相法是更快但需要较高的反应温度,并产生更小的微晶。一旦在热水中搅拌,CaCuSi 4 O 10自发地去除角质成单层纳米片,其特点是TEM和PXRD。 BaCuSi 4 O 10,另一方面,需要超声处理在有机溶剂中实现剥离。近红外成像说明,无论是散装和CaCuSi 4 O 10和BaCuSi 4 O 10纳米片的形式是强大的近红外线发射器。因为它们提供了一种新的方式来处理,检定和胶体形式处理这些物质的水性CaCuSi 4 O 10和BaCuSi 4 O 10纳米片分散体是有用的。
Introduction
鲜艳的色彩被撬开整个古代世界。即使在今天,我们仍然可以看到由各大文化创造颜料和染料的遗体。值得注意的是,两个最有名的合成蓝色色素有着相似的化学组成和结构,尽管已开发的广泛的不同的时间和地点。两个埃及蓝,CaCuSi 4 O 10,和韩青,BaCuSi 4 O 10的有色成分,属于碱土铜四硅系列,ACuSi 4 O 10(A =钙,锶,钡)1,以及在大gillespite组,ABSI 4 O 10(B =铁,铜,铬)2,3。
除了传统颜料的应用,目前在这些材料科学的兴趣在他们强大的近红外(NIR)发射特性中心。这个排放来源于铜离子在平面正方形协调;这些离子由四面体连结三维晶体结构内升硅酸盐部分,并将所得的层交替与碱土离子4-6。最近的技术亮点包括近红外成像识别文化遗产文物7,8,ACuSi 4 O 10的镧系元素掺杂埃及和汉蓝色颜料,以提高近红外反射特性,并打开新的能量传递途径9,10,使用ACuSi 4 O 10作为光学传感器11,和CaCuSi 4 O 10的剥离成单层纳米片12的活性物质。
尤其是,最后的例子提供了一种纳米结构CaCuSi 4 O 10,以便它可以被处理为胶态分散体,而不是作为固体颗粒12。因为胶态分散体与溶液加工技术兼容( 例如旋涂,喷墨印刷,层-层沉积化),这种提前开启,范围从防伪油墨,以生物医学成像新的应用领域。在这方面的贡献所示的实验方案将使研究人员来自不同背景的准备,检定和使用CaCuSi 4 O 10和BaCuSi 4 O 10纳米片的工作。
Protocol
1,准备CaCuSi 4 O 10
- CaCuSi 4 O 10的熔体通量合成
- 称出的CaCO 3,SiO 2的,和Cu 2 CO 3(OH)2在2点08分01秒的摩尔比:SiO 2的,0.1470克的碳酸钙 ,0.3196克(5.319毫摩尔)的0.1331克(1.330毫摩尔)( 0.6648毫摩尔的Cu 2 CO 3)(OH)2。此外,掂量出焊剂成分(按重量计12.5%)。0.0375克的Na 2 CO 3的0.0125克氯化钠,并0.0250克的Na 2 B 4 O 7 10H 2 O。这些材料加入到一个干净的玛瑙研钵。
- 手磨为〜5分钟用玛瑙杵直到混合物变成均匀的浅绿色粉末( 图1a和图2a)。这种混合物转移到一个干净,干燥的铂金坩埚。
- 加热在炉中的坩埚中,以875℃(2℃/ min的升温速率),保持在875℃下进行16小时,然后冷却至室温(速率为0.8℃/分钟)。
- 从坩埚中取出晶体,轻轻地用杵粉碎他们。
- 让该晶体在50ml的1M HCl水溶液中浸泡过夜,以除去熔融焊剂。
- 过滤和结晶用去离子水冲洗,以完全消除任何剩余的熔助焊剂。
注意:该材料应磨成更细的粉末的粉末X射线衍射(PXRD)分析( 图5)。它也可被表征通过光学显微镜( 图3),扫描电子显微镜(SEM)( 图4),和近红外照相( 图8)。
- CaCuSi 4 O 10的固相合成
- 称出的CaCO 3,SiO 2的和CuO在1点04分01秒的摩尔比:0.1331克(1.330毫摩尔)的CaCO 3,0.3196克(5.319毫摩尔)的SiO 2,和0.1058克氧化铜(1.330毫摩尔)并加入到一个干净的玛瑙研钵。
- 用1-2毫升丙酮和手磨用玛瑙杵〜5分钟挫伤粉末混合物。传送所产生的浅灰色粉末( 图1b和2b)中放入铂坩埚中。
- 加热的箱式炉中的坩埚,以1020℃,以5℃/分钟的升温速率,保持16小时,然后冷却至室温
- 掏出使用聚四氟乙烯(PTFE)刮刀的松动,淡蓝灰色粉末。
注:该产品的特点可以用光学显微镜( 图3),扫描电镜( 图4),PXRD(图5),和近红外照相( 图8)。
BaCuSi 4 O 10 2。合成
- BaCuSi 4 O 10的熔体通量合成
- 称出的BaCO 3,SiO 2的和CuO在1点04分01秒的摩尔比:0.2085克的BaCO 3(1.057毫摩尔),0.2539克的SiO 2(4.226毫摩尔),并0.0840克氧化铜(1.056毫摩尔)。此外,称出的磁通成分(按重量计12.5%):0.0765克的PbO。这些材料加入到一个干净的玛瑙研钵。
- 手磨为〜5分钟用玛瑙杵直到混合物变成均匀的浅灰色粉末( 图1C和2C)。这种混合物转移到一个干净,干燥的铂金坩埚。
- 加热在炉中的坩埚中,以950℃(2℃/ min的升温速率),保持在950℃下放置24小时,然后慢慢冷却到700℃(速率为0.1℃/分钟),并最后冷却至室温。
- 从坩埚中取出晶体,轻轻地用杵粉碎他们。
- 让该晶体在50毫升的1M含水HNO 3浸泡过夜,以除去熔融焊剂。
- 过滤和结晶用去离子水冲洗,充分去除熔体通量的其余部分。注:此马terial应磨成细粉末的PXRD分析( 图6)。它也可被表征通过光学显微镜( 图3)和近红外照相( 图8)。
- BaCuSi 4 O 10的固相合成
- 称出的BaCO 3,SiO 2的和CuO在1点04分01秒的摩尔比:0.2085克的BaCO 3(1.057毫摩尔),0.2539克的SiO 2(4.226毫摩尔),并0.0840克氧化铜(1.056毫摩尔),并加入到一个干净的玛瑙研钵。
- 用1-2毫升丙酮和手磨用玛瑙杵〜5分钟挫伤粉末混合物。传送所产生的浅灰色粉末( 图1d和 2d)放入铂坩埚中。
- 加热的箱式炉中的坩埚中,以960℃,以5℃/分钟的升温速率和保持16小时,然后冷却至室温。
- 掏出使用聚四氟乙烯(PTFE)抹刀松蓝色粉末。注意:该产品的特征在于通过光学显微镜( 图3),PXRD(图6),和近红外照相( 图8)。
CaCuSi 4 O 10 3。剥离
- 充的50ml圆底烧瓶中,用0.50克CaCuSi 4 O 10的40毫升去离子水和玻璃涂覆的磁性搅拌棒。
- 附加一个水冷式冷凝器的烧瓶中。加热反应至85℃,以400rpm两周磁力搅拌。
- 从热源取下,使溶液沉降原状过夜,然后通过0.4微米的膜过滤器过滤上清液。真空干燥该固体。注意:该产品是一种淡蓝色的粉末,可以表征通过光学显微镜( 图3),PXRD(图5),透射电子显微镜(TEM)( 图7),和近红外照相( 图URE 8)。
BaCuSi 4 O 10 4。剥离
- 充电50毫升塑料离心管中0.14克BaCuSi 4 O 10和20毫升N-乙烯基吡咯烷酮。
- 用离心管浸入冰/水浴中,超声处理用探针超声波发生器以40%的幅度(17瓦)1小时。
- 让分散体沉降不受干扰过夜,然后倒出上清液到新的离心管中。
- 用离心机降速为10,286 XG。倒出上清液,留下纳米片在离心管的底部。
- 重悬这种材料在20毫升的水,浴超声几分钟。以分离出粉末,过滤通过0.4微米滤膜过滤并真空干燥固体。注意:该产品是一种淡蓝色的粉末,可以表征通过光学显微镜( 图3),PXRD(图6),透射电子显微镜( 图7 图8)。
5,油墨的制备
- 驱散〜0.10克CaCuSi 4 O 10纳米片在5毫升去离子水中超声浴〜10分钟。注意:该油墨( 图9)可用于涂装,印刷等 见图10为一个有代表性的例子,其中将油墨施加到纸用刷子。
6,近红外感光成像
- 采用红光( 例如用红色发光二极管阵列),照顾,以消除光的任何其他来源照射样品。
- 拍摄用修改图像中的近红外区域的摄像机。使用f止损设置f/22时为0.5秒的曝光时间。
Representative Results
CaCuSi 4 O 10和BaCuSi 4 O 10的描述合成提供约0.5g每批次产品。 CaCuSi 4 O 10的从熔融焊剂和固态合成中的分离产率范围通常为70-75%和90-95%之间。对于BaCuSi 4 O 10中, 分离产率从熔融焊剂和固态合成中通常范围从65-70%和95-99%之间。
所有制备的材料的纹理,以及在其蓝色的强度由于不同的晶粒尺寸的差异,是由低放大倍数的光学显微镜( 图3a-H)可见。扫描电子显微镜(SEM)照片证实,合成CaCuSi 4的固相法O 10〜产生1-15微米的初级晶体( 图4b),而熔助焊剂条件导致〜5-50微米CRYST宏家( 图4a)。粉末X-射线衍射(PXRD)型态的CaCuSi 4 O 10( 图5a和5c)和BaCuSi 4 O 10( 图6a和图6c)中展示的组合物和这些产品的相纯度。
代表性的透射型电子显微镜(TEM)图像显示的剥离产品的纳米片的形态( 图7)。此外,近红外感光成像显示,无论是体积和材料脱落( 图8)的强发光。一个简单的方法来说明CaCuSi 4 O 10纳米片的加工解决方案是制备水 性油墨( 图9),适用于喷漆( 图10)。
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图1的手工地面照片的原料。(一 )CaCuSi 4 O 10熔体通量,(二)CaCuSi 4 O 10固态,( 三)BaCuSi 4 O 10的熔体流量,以及(d)BaCuSi 4 O 10固态合成。 请点击此处查看该图的放大版本。
图2。扫描电镜观察。的手地面图像的起始原料为(A)CaCuSi 4 O 10的熔融焊剂,(
图3光学显微镜。散装CaCuSi 4 O 10通过熔融焊剂(a)和固态(二)程序。散装BaCuSi 4 O 10通过熔融焊剂(c)和固态( 四)程序。脱落的产品(EH)的(A- d)中,分别。所有图片分享1mm的比例尺显示在面板上( 一 )。 请点击此处查看该图的放大版本。
图4。扫描电镜观察。散装CaCuSi 4 O 10通过熔融焊剂(a)和固态(二)方法制成的图像。样品喷金前成像。 请点击此处查看该图的放大版本。
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图5粉末X-射线衍射:CaCuSi 4 O 10的模式通过熔融焊剂(a)和固态( 三)方法批量CaCuSi 4 O 10。星号表示二氧化硅杂质。图案的脱落CaCuSi 4 O 10,(b)和(D),从(a)和(c)分别制备。 请点击此处查看该图的放大版本。
图6粉末X-射线衍射:BaCuSi 4 O 10模式批量BaCuSi 4 O 10通过熔融焊剂(
图7。透射电子显微镜。脱落CaCuSi 4 O 10从散装CaCuSi 4 O 10通过熔融焊剂(a)或固态(二)制作方法得出的代表性图像。脱落BaCuSi 4 O 10从散装派生的代表图像BaCuSi 4 O 10通过熔融焊剂(c)或固态(D)的方法进行。 请点击此处查看该图的放大版本。
图8。近红外成像,发光的制备熔体通量(a)和固态(二)程序批量CaCuSi 4 O 10。散装BaCuSi 4 O 10的发光通过熔融焊剂(c)和固态( 四)程序编制。发光的( 广告 )时,脱落的产品(EH)分别。粉末样品所包含的玻璃小瓶中,并在entirË组样品进行成像一次。 请点击此处查看此图的放大版本。
图9。照片在一个小瓶CaCuSi 4 O 10纳米片的油墨。
图10。近红外成像。一个基本的绘画与CaCuSi 4 O 10纳米片的油墨,说明了两者的简单应用程序及其发光性能。
Discussion
埃及蓝颜料的制备方法,主要是CaCuSi 4 O 10和SiO 2的混合物,是一个充分研究的过程中4,13-21。众多的报告程序可以被归类为熔融焊剂或固态反应。的熔融焊剂的方法的两个主要优点是,它允许较低的反应温度(<900℃),并允许CaCuSi 4 O 10晶体的成核和从熔融玻璃相20成长。磁通分量通常是碱金属盐( 如的Na 2 CO 3)或硼酸酯化合物( 例如硼砂)。相比较而言,固态合成中省略了磁通,但需要较高的温度(〜1000℃)的Ca,氧化铜之间的反应,和SiO 2的来源,以达到完成。
虽然汉蓝颜料的合成是没有得到很好的研究作为埃及蓝4,22-25,B的制备aCuSi 4 O 10所示相似的熔融焊剂和具有两个不同的固态路线:(1)一氧化铅焊剂应被使用,并且(2)该反应的温度必须更紧密,因为替代钡铜的Si-O相的控制可以形成( 如 BaCuSi 2 O 6)。
这些点在本文所描述的详细过程和结果说明。首先,对于所有的方法,起始原料应研磨成光滑的粉末( 图1a-d)由5-20微米的颗粒(通过SEM; 图2a-d)所示 。接着,在CaCuSi 4 O 10和BaCuSi 4 O 10导致高度结晶的产品,其特征是强烈的蓝色着色( 图3a和3c)的制备中使用的显著量通量(以重量计12.5%),比较大粒径( 图4a 图5a和图6a)。该减弱的分离产率(〜70%)从这些制剂通过熔融反应混合物在坩埚的附着引起的。相比之下,CaCuSi 4 O 10和BaCuSi 4 O 10制备的固态路线展览较不强烈着色( 图3b和3d)和较小的颗粒尺寸( 图4b)。作为合成时,这些产品是粉末,可以是分离的,近乎定量的产率。因此,对于这两个CaCuSi 4 O 10和BaCuSi 4 O 10,通量和反应温度的重要性的优势不能被夸大。
值得注意的是,CaCuSi 4 O 10和BaCuSi 4 O 10的剥离下简单的水溶液条件下发生。在CaCuSi 4 O 10的情况下,该反应是在室温相当慢温度(≥6周看到任何明显的去角质),但它成为在80℃(大量脱落,2周后)合成有用的。相比之下,BaCuSi 4 O 10的剥离是缓慢的,即使在80℃,因此,我们采用一个更大的能量输入在超声波的形式。这些反应是有两点需要说明高度可靠。对于CaCuSi 4 O 10, 使用玻璃涂覆的搅拌棒是很重要的;如果一个标准的PTFE涂层的搅拌棒时,我们发现,聚四氟乙烯副产品污染CaCuSi 4 O 10纳米片的产品。为BaCuSi 4 O 10,重要的是,使反应停止前的纳米片成为退化来控制超声波的功率和时间。
的纳米片制品的透射电子显微镜(TEM)表明,这些非常薄的材料具有横向尺寸范围从几百纳米到几个麦克风RONS。一般来说,这些横向尺寸相关联的三维起始材料的微晶尺寸。在以前的工作中,原子力显微镜,惟证实这些纳米片12的单层厚度(〜1.2 nm)的地形测绘。粉的照片CaCuSi 4 O 10和BaCuSi 4 O 10纳米片样品( 图3E-H)表明,它们的颜色比的起始原料,纳米结构的直接结果的那么强烈。
附加信息是通过PXRD( 图5和6),它揭示了沿(001)面,并沿{00升 }系列的所有纳米片样品择优取向基底切割提供的。这些特征反映了这些的时候,下拉式浇铸在基板高度各向异性的纳米材料的堆积排列。此外,CaCuSi 4 O 10的〜9的特性近红外荧光在约950纳米10纳米和BaCuSi 4 O 10中示出的所有8个样本的NIR照片( 图8)。
CaCuSi 4 O 10的溶液处理可以通过简单地制备CaCuSi 4 O 10纳米片的胶态分散体( 图9)作为油墨使用来实现。该油墨然后可以通过旋涂法,喷涂法,喷墨印刷12,或仅仅刷牙( 图10)被施加到基材上。重要的是,CaCuSi 4 O 10的近红外发光特性被保留在这个过程中的所有阶段。这些新的可能性突出CaCuSi 4 O 10纳米片和传统的利用埃及的蓝色颜料,即是具有挑战性的合并成一个光滑的漆非常细微的材料之间的对比。
Disclosures
该作者有没有竞争的财务权益。
Acknowledgments
我们感谢教授马克·阿贝(UGA)为碳酸盐在这项工作中使用的钡提供的近红外成像设备和Rasik Raythatha博士(苏威高性能化学品)。我们承认以赛亚·诺里斯(UGA本科)和Terra布莱文斯(北奥科尼高中),谁帮助测试合成方法的努力。
Materials
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Sodium carbonate (Na2CO3) | Sigma Aldrich | S7795 | bioXtra, ≥99.0% |
Calcium carbonate (CaCO3) | Sigma Aldrich | C4830 | bioXtra, ≥99.0% |
Barium carbonate (BaCO3) | Solvay Performance Chemicals | Research sample: Electronic-grade purity, nanocrystalline | |
Copper (II) carbonate basic [Cu2CO3(OH)2] | Sigma Aldrich | 207896 | Reagent grade |
Copper(II) oxide (CuO) | Sigma Aldrich | 450812 | 99.99% trace metals base |
Silicon dioxide (SiO2) | Sigma Aldrich | S5631 | ~99%, particle size 0.5-10 μm (approximately 80% between 1-5 μm) |
Sodium tetraborate decahydrate (Na4B4O7.10H2O) | Sigma Aldrich | S9640 | ACS ≥ 99.5% |
Sodium chloride (NaCl) | Sigma Aldrich | S9888 | ACS ≥ 99.0% |
Lead(II) oxide (PbO) | Sigma Aldrich | 402982 | ACS ≥ 99.0% |
N-Vinylpyrrolidinone (C6H9NO) | Sigma Aldrich | V3409 | contains sodium hydroxide as inhibitor, ACS ≥ 99.0% |
Box Furnace | Thermo Scientific | Lindberg Blue M | |
Box Furnace | Carbolite | CWF 12/5 1200C | |
Bath Sonicator | Branson | ||
Ultrasonicator | Qsonica | Misonix S-4000 | |
Camera | custom modification of Nikon D3000 camera by LDP LLC MaxMax.com | n/a | Xnite Nikon D3000 camera with a Nikkor 18-200 mm lens and a Xnite 830 filter |
Light Source | Excled Ltd. | PAR64 | LED Colour Beamer |
Light Microscope | Leica | mz6 Stereomicroscope with Spot Idea camera and Software | |
Powder X-Ray Diffractometer | Bruker | D8-Advance diffractometer (Co-Kα radiation source) | |
Transmission Electron Microscope | FEI | Technai 20 | |
Scanning Electron Microscope | FEI | Inspect F | |
Membrane filters | Millipore | HTTP04700 | Isopore Membrane filter with 0.4 µm pore size |
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