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Chemistry

Préparation de nanofeuillets carbone à température ambiante

Published: March 08, 2016
doi:
10.3791/53505
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1Institute of Materials,Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), 2Colloid Chemistry Department,Max Planck Institute of Colloids and Interfaces

Summary

We present the synthesis of an amphiphilic hexayne and its use in the preparation of carbon nanosheets at the air-water interface from a self-assembled monolayer of these reactive, carbon-rich molecular precursors.

Abstract

Amphiphilic molecules equipped with a reactive, carbon-rich “oligoyne” segment consisting of conjugated carbon-carbon triple bonds self-assemble into defined aggregates in aqueous media and at the air-water interface. In the aggregated state, the oligoynes can then be carbonized under mild conditions while preserving the morphology and the embedded chemical functionalization. This novel approach provides direct access to functionalized carbon nanomaterials. In this article, we present a synthetic approach that allows us to prepare hexayne carboxylate amphiphiles as carbon-rich siblings of typical fatty acid esters through a series of repeated bromination and Negishi-type cross-coupling reactions. The obtained compounds are designed to self-assemble into monolayers at the air-water interface, and we show how this can be achieved in a Langmuir trough. Thus, compression of the molecules at the air-water interface triggers the film formation and leads to a densely packed layer of the molecules. The complete carbonization of the films at the air-water interface is then accomplished by cross-linking of the hexayne layer at room temperature, using UV irradiation as a mild external stimulus. The changes in the layer during this process can be monitored with the help of infrared reflection-absorption spectroscopy and Brewster angle microscopy. Moreover, a transfer of the carbonized films onto solid substrates by the Langmuir-Blodgett technique has enabled us to prove that they were carbon nanosheets with lateral dimensions on the order of centimeters.

Introduction

Nanostructures de carbone en deux dimensions attirent beaucoup d' attention en raison des propriétés électriques, thermiques, ainsi que mécaniques exceptionnelles signalées 1-5. Ces matériaux sont censés favoriser le progrès technique dans les domaines des composites polymères 6, des dispositifs de stockage d'énergie 7, et l' électronique moléculaire 8-10. En dépit des efforts intensifs de recherche au cours des dernières années, toutefois, l' accès à de grandes quantités de nanomatériaux de carbone bien définies est encore limitée, ce qui nuit à leur mise en œuvre à grande échelle dans des applications technologiques 11,12.

nanomatériaux de carbone sont accessibles par haut vers le bas ou les approches bottom-up. Les approches habituelles telles que les techniques d'exfoliation 13 ou des procédés de haute énergie sur les surfaces 14-16 offrent la possibilité d'obtenir des matériaux avec un haut degré de perfection structurelle et de très bonnes performances. Cependant, l'isolement et la purification de the produits reste difficile, et la production à grande échelle de matériaux nanostructurés définis est difficile 12. D'autre part, les approches bottom-up peuvent être employés qui reposent sur ​​l'utilisation de précurseurs moléculaires, leur disposition dans les structures définies, et un carbonisation subséquente qui donne les nanostructures de carbone 17-23. Dans ce cas, les précurseurs eux-mêmes sont plus complexes et leur préparation nécessite souvent des étapes de synthèse multiples. Ces approches peuvent offrir un degré élevé de contrôle sur les propriétés physiques et chimiques des matériaux résultants et peuvent fournir un accès direct à des matériaux adaptés. Toutefois, la conversion des précurseurs en les nanomatériaux de carbone est typiquement réalisée à des températures supérieures à 800 ° C, ce qui conduit à une perte de la fonctionnalisation chimique incorporé 24-27.

Les limitations mentionnées ci-dessus ont été abordées dans notre groupe en employant oligoynes hautement réactifs que can convertis en des nanomatériaux de carbone à température ambiante , 28,29. En particulier, amphiphiles comprenant un groupe de tête hydrophile et un segment de hexayne sont accessibles par une séquence de bromation et Negishi réactions croisées de couplage au palladium médiée 30,31. La conversion de ces molécules précurseurs dans la structure cible se produit au niveau ou en dessous de la température ambiante lors d'une irradiation avec une lumière UV. La forte réactivité des amphiphiles oligoyne rend l'utilisation de modèles souples, tels que l'interface air-eau ou d'interfaces liquide-liquide, est possible. Dans les enquêtes précédentes, nous avons préparé avec succès des vésicules à partir de solutions de amphiphiles hexayne glycosidiques 28. La reticulation de ces vésicules a été réalisée dans des conditions douces par irradiation UV des échantillons. De plus, nous avons récemment préparé monocouches auto-assemblées à partir de hexaynes avec un groupe de tête de carboxylate de méthyle et une queue d'alkyle hydrophobe à l'interface air-eau dans une cuvette de Langmuir. Le pack denseed précurseurs moléculaires ont ensuite été converties en nanofeuilles carrément de carbone autoportants à la température ambiante par irradiation UV. Dans les approches connexes précurseurs moléculaires définis ont récemment été utilisés pour la préparation de deux dimensions nanofeuillets étendues à l'interface air-eau 32-38.

Le but de ce travail est de donner un aperçu pratique concise de la synthèse et la fabrication des mesures globales qui permettent la préparation de nanofeuillets de carbone de amphiphiles hexayne. L'accent est mis sur l'approche expérimentale et des questions de préparation.

Protocol

Attention: Assurez-vous de consulter S'il vous plaît les fiches de données de sécurité des documents pertinents (MSDS) avant l'utilisation de tous les composés chimiques. Certains des produits chimiques utilisés dans ces synthèses sont extrêmement toxiques et cancérigènes. nanomatériaux préparés peuvent avoir des risques supplémentaires par rapport à leur contrepartie en vrac. Il est impératif d'utiliser toutes les pratiques de sécurité appropriées lors de l'exécution des réactions (hotte aspirante) et équipement de protection individuelle (lunettes de sécurité, gants, blouse de laboratoire, pantalons pleine longueur, des chaussures fermées). Sauf indication contraire les procédures suivantes impliquent des techniques de Schlenk standards 39. 1. Préparation du précurseur moléculaire 29,31 Synthèse de 4-tritylphenyl 10 (triméthylsilyl) déca-5,7,9-triynoate (1) Remarque: Les composés nécessaires à la suite décrit les étapes de synthèse peuvent être carrément préparés selon les procédures de la littérature publiée 29,31. Couche mince chromatography (CCM) et la Chromatographie sur colonne sont effectuées selon des procédures standard de laboratoire 39,40. Dissoudre le 1,4-bistrimethylsilylbutadiene (7,82 g, 40,3 mmol) dans du tétrahydrofuranne anhydre (THF, 50 ml) dans une atmosphère inerte, dans un tube de Schlenk muni d'un septum. On agite le mélange et le refroidir à une température de 0 ° C par immersion du ballon dans un bain de glace. Ajouter lentement complexe de bromure de lithium de lithium de méthyle (17,9 ml, 2,2 M dans Et 2 O, 39,3 mmol) à cette solution par une seringue. On enlève le bain de refroidissement et laisser le mélange se réchauffer à température ambiante et on laisse sous agitation pendant 30 min. Immerger le tube de Schlenk dans un bain de glace et refroidir la solution à une température de 0 ° C. ajouter lentement une solution de chlorure de zinc (57,5 ml, 0,7 M dans du THF, 40,24 mmol) à la solution agitée. On enlève le bain de refroidissement, laisser la solution se réchauffer à la température ambiante, et on agite le mélange pendant 30 minutes supplémentaires. Dans un flacon de Schlenk, disperse le catalyseur au palladium PdCl 2 (dppf) , DCM (1,60 g, 1,96 mmol) dans du toluène anhydre (300 ml) dans une atmosphère inerte et ajoute 4 tritylphenyl 6-bromohex-5-ynoate de méthyle (10,0 g, 19,63 mmol). Refroidir ce mélange à une température de 0 ° C par immersion du ballon de Schlenk dans un bain de glace. Transférer la solution dans le tube de Schlenk contenant l'acétylure de zinc dans le ballon de Schlenk contenant le dérivé de bromoacetylene et le catalyseur au palladium en utilisant une canule de transfert. Laisser le mélange sous agitation et surveiller la réaction par CCM 39. Soit la réaction complète après la CCM (DCM / n – heptane 2: 1; coloration avec une solution de p -anisaldehyde 39) indique que le dérivé de bromoacetylene (Rf: 0,64) est consommée (après environ 16 heures). On dilue le mélange réactionnel avec de l' éther diéthylique (Et2Û) (300 ml) et on la transfère dans une ampoule à décanter. Laver la phase organique trois fois avec saturated solution de chlorure d'ammonium (300 ml) et une fois avec une solution de chlorure de sodium saturée (300 ml). Transférer la phase organique à partir de l'ampoule à décanter dans un erlenmeyer et on sèche la phase organique sur du sulfate de sodium (100 g). Retirer le sulfate de sodium par filtration et on concentre la phase organique sous vide. On purifie le produit brut par Chromatographie sur colonne 40 (gel de silice; dichlorométhane / n – heptane 1: 1) pour obtenir le produit désiré 1 (Rf: 0,33; 7,7 g, 71%) sous forme d' un solide brun clair. Vérifiez la pureté de (1) par 1 H et 13 C {1 H} spectroscopie RMN 29. Synthèse de 4-tritylphenyl octacosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate (2) Note: La synthèse de 4-tritylphenyl octacosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate 2 est réalisée en deux étapes à partir de 4-tritylphenyl 10 (triméthylsilyl) déca-5,7,9-triynoate en raison de la faible stabilité de l'triyne intermédiaire b observéromide 41. Dissoudre 4 tritylphenyl 10- (triméthylsilyl) déca-5,7,9-triynoate 1 (2,00 g, 3,63 mmol) dans du dichlorométhane sec (DCM, 15 ml) dans une atmosphère inerte dans un ballon de Schlenk de 100 ml muni d'un septum. Après dissolution du composé, ajouter de l'acétonitrile anhydre (MeCN, 15 ml). Protégez le ballon de Schlenk de la lumière avec une feuille d'aluminium et d' ajouter N – bromosuccinimide (679 mg, 3,81 mmol) ainsi que du fluorure d'argent (484 mg, 3,81 mmol). On agite le mélange résultant pendant 8 heures à la température ambiante et de surveiller la progression de la réaction par CCM. Soit la réaction complète après la CCM (DCM / n – heptane 1: 1, détection avec une solution de p -anisaldehyde 39 comme agent de coloration) indique que le matériau de départ (1) (Rf: 0,33) est consommée (après environ 3 heures) . On dilue le mélange réactionnel avec du DCM (30 ml) et on la transfère dans une ampoule à décanter. Laver le biosix fois la phase aqueuse avec une solution de chlorure d'hydrogène 1 M (60 ml) et une fois avec une solution de chlorure de sodium aqueux saturé (60 ml). Transférer la phase organique à partir de l'ampoule à décanter dans un erlenmeyer et on sèche la phase organique sur du sulfate de sodium (50 g). On filtre la phase organique et on concentre le filtrat sous vide à approximativement 10 ml, alors vivement le blindage de la lumière. Ajouter du toluène anhydre (20 ml) et on concentre le mélange à nouveau sous vide à un volume d'environ 5 ml. Dissoudre 1-trimethylsilyloctadeca-1,3,5-triyne (2,28 g, 7,26 mmol) dans du THF anhydre (20 ml) dans une atmosphère inerte dans un tube de Schlenk de 100 ml muni d'un septum en caoutchouc. Refroidir la solution à une température de 0 ° C par immersion du tube de Schlenk dans un bain de glace. Ajouter lentement complexe de bromure de lithium et de méthyl – lithium (3,22 ml, 2,2 M dans Et2Û, 7,08 mmol) et de maintenir la température du mélange à0 ° C pendant 45 min. A ce mélange, on ajoute lentement une solution de chlorure de zinc (10,37 ml, 0,7 M dans du THF, 7,26 mmol). Une fois l'addition terminée, agiter le mélange résultant pendant 45 min supplémentaires. En parallèle, disperser le catalyseur au palladium PdCl 2 (dppf) , du DCM (296 mg, 0,36 mmol) dans du toluène anhydre (100 ml) dans une atmosphère inerte dans un ballon de Schlenk de 500 ml muni d'un septum en caoutchouc. On refroidit le mélange à une température de 0 ° C par immersion du ballon dans un bain de glace. Ajouter lentement le lithium n – butyle (0,29 ml, 2,5 M dans le n – hexane, 0,73 mmol) à la dispersion du catalyseur au palladium dans du toluène sec. On enlève le bain de glace après l'addition complète, agiter le mélange pendant 10 min à température ambiante, et ensuite le refroidir à une température de 0 ° C. Ajouter la solution toluénique concentrée contenant le 4-tritylphenyl 10 bromodeca-5,7,9-triynoate (10 ml, 3,63 mmol) à travers une seringue en même temps que l'acétylure de zinc, de sorterésolu- (voir ci-dessus), qui est ajouté par une canule de transfert du tube de Schlenk. Protégez le ballon avec le mélange réactionnel de la lumière avec une feuille d'aluminium. Surveiller la progression de la réaction par CCM (DCM / n – heptane 1: 1, détection avec une solution de p -anisaldehyde 39 comme agent de coloration). Après consommation complète du 4-tritylphenyl 10 bromodeca-5,7,9 triynoate (Rf: 0,34, au bout d' environ 48 h), on dilue le mélange avec du Et2Û (100 ml) et on la transfère dans une ampoule à décanter. Laver la phase organique trois fois avec une solution aqueuse saturée de chlorure d'ammonium (200 ml) et une fois avec une solution de chlorure de sodium aqueux saturé (200 ml). Transférer la phase organique dans un erlenmeyer et la sécher sur du sulfate de sodium (80 g). On filtre la phase organique et on concentre le filtrat sous vide. On purifie le produit brut par Chromatographie sur colonne 40 (siligel ca; DCM / n – heptane 1: 1) pour isoler 4 tritylphenyl octacosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate (2) (Rf: 0,43; 0,60 g, 23%) sous forme d' un solide brun. Vérifiez la pureté de (2) par 1 H et 13 C {1 H} spectroscopie RMN 29. Synthèse de méthyle octacosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate (3) Dissoudre 4-tritylphenyl octacosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate (2) (208 mg, 0,289 mmol) dans du DCM (15 ml) dans une atmosphère inerte dans un ballon de Schlenk de 100 ml, et on ajoute du methanol ( 10 ml). Protégez le ballon de la lumière avec une feuille d'aluminium, et d'ajouter méthanolate de sodium (31 mg, 0,578 mmol). On agite le mélange résultant pendant 30 min à température ambiante. Ensuite, on dilue avec du DCM (15 ml), transvaser dans une ampoule à décanter, laver une fois avec une solution de chlorure d'hydrogène aqueux 1 M (30 ml) et une fois avec une solution de chlorure de sodium aqueux saturé (30 ml). Transférer la phase organique dans un flacon Erlenmeyer et la sécher sur du sulfate de sodium (30 g). On filtre la phase organique et on concentre le filtrat sous vide. On purifie le produit brut par Chromatographie sur colonne 40 (gel de silice; DCM / n – pentane 1: 1) pour isoler octacosa-méthyl-5,7,9,11,13,15 hexaynoate (3) (Rf: 0,62) en tant que solution jaune. Stocker le produit de cette réaction sous forme de solution diluée du DCM (10 ml) afin de minimiser toute décomposition. Transférer environ 3 ml de la solution mère à un verre brun ballon à fond rond et ajouter CDCl 3 (5 ml). Concentrer la solution jusqu'à environ 1 ml sous vide, on ajoute CDCl 3 (5 ml) et la solution est concentrée à environ 1 ml sous vide. Effectuer 1 H et 13 C {1 H} spectroscopie RMN avec cette solution pour vérifier la pureté de (3) 29. Lyophilisation de laEster méthylique et Préparation d'une solution Stock Préparer une solution mère de concentration définie (c = 1 mM) pour des expériences à l'interface air-eau. Transférer une fraction de la solution diluée de méthyle octacosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate dans du DCM à un tarés 50 ml verre brun ballon à fond rond et on concentre la solution à environ 1 ml sous vide. Raccorder le ballon à une ligne de vide et de plonger le flacon dans de l'azote liquide pour congeler la solution concentrée. Après que le mélange ait complètement solidifiée, appliquer le vide (environ 5 x 10 -3 mbar) dans le ballon et retirer le flacon de l'azote liquide. Après élimination complète du solvant résiduel, de peser le flacon tout en le protégeant de la lumière. Préparer une solution mère de concentration définie c = 1 mM par addition de la quantité appropriée de chloroforme. Bouclier de la solution mère de la lumière et le stocker à une température de -15 ° C. </ol> Formation 2. Film de la Hexayne amphiphile à l'interface air-eau Remarque: Toutes les expériences à l'interface air-eau sont effectués avec polytétrafluoroéthylène interfacé ordinateur creux Langmuir avec un (ou deux) barrières. Les creux sont équipés d'une microbalance à la pression de surface avec une plaque de Wilhelmy de papier filtre. Un thermostat externe est utilisé pour maintenir la température de l'eau sous-phase ultrapure à 20 ° C. Les creux de Langmuir sont placés dans un boîtier étanche pour éviter la contamination de l'interface. Avant que les mesures sont effectuées, la pureté de la surface nue est effectuée par compression. Toutes les configurations de Langmuir expérimentales utilisées sont étalonnés avant l'utilisation en utilisant une méthode d'étalonnage en deux points: la surface de l' eau nue pour 0 mN / m, ainsi que la transition du second ordre d'un basculement vers un état ​​non incliné d'acide stéarique 42, qui est insensible aux changements de température dans la températ utiliséegamme ure. Cela garantit des mesures fiables et comparables. Mesure de la surface de pression zone Isotherme et détermination du module de compressibilité Utiliser une seringue pour répandre soigneusement 100 pl de la solution diluée d'achat d'actions de (3) dans du DCM / chloroforme (c = 1 mmol / L) sur la surface de l'eau ultrapure dans une cuvette de Langmuir. Laisser la cuvette de Langmuir à équilibrer pendant 15 minutes en laissant le solvant à évaporer. Comprimer la couche avec un taux de compression constant de 5 Å / (x molécule min) en réduisant la surface de la cuvette de Langmuir avec les barrières. mesurer simultanément la pression de surface avec la microbalance de pression de surface équipée d'une plaque de Wilhelmy de papier filtre. Poursuivre la compression de la couche jusqu'à ce qu'une baisse de la pression superficielle indique la chute du film. Répéter les mesures isothermes surface de pression dans la région comme décrit dans 2.1.1-2.1.3 deux foisavec une cuve de Langmuir propre pour assurer la reproductibilité des résultats. Déterminer le module de compressibilité de l'isotherme de la couche selon la relation 43 suivante C s -1 = – A (∂ Π / ∂ A) T où A est l'aire moléculaire moyenne et Π la pression de surface. Etude de la stabilité de la couche ci-dessous et au-dessus du Plateau dans le Isotherme Étaler une aliquote de 100 pi de la solution diluée d'achat d'actions de (3) sur l'eau ultrapure dans une cuvette de Langmuir. Laisser la cuvette de Langmuir à équilibrer pendant 15 minutes en laissant le solvant à évaporer. Comprimer la couche à une pression superficielle de 8 mN / m avec un taux de compression constant de 5 Å / (x molécule min) en réduisant la surface de la cuvette de Langmuir avec les barrières. Poursuivre la compression de la couche jusqu'à ce que la mesure surla pression nominale atteint 8 mN / m et définir les obstacles afin que cette pression de surface est maintenue à une valeur constante. Surveiller l'évolution de la surface spécifique que les barrières de la cuvette de Langmuir ajuster au cours de 45 min pour maintenir une pression superficielle constante de 8 mN / m. Comprimer la couche à une pression superficielle de 23 mN / m avec un taux de compression constant de 5 Å / (x molécule min), en réduisant encore la surface de la cuvette de Langmuir avec les barrières. Définir les obstacles afin que la pression superficielle est maintenue constante à 23 mN / m. Surveiller l'évolution de la surface spécifique que les barrières de la cuvette de Langmuir ajuster au cours de 45 min pour maintenir une pression superficielle constante de 23 mN / m. Caractérisation de la couche par spectroscopie infrarouge de réflexion-absorption Remarque: Pour enregistrer (IR) infrarouge, un spectromètre FT-IR équipé d'un liquide tellurure de cadmium et de mercure refroidi à l'azote (MPM), le détecteur est utilisé et celui-ci est fixé à une unité de réflexion air / eau externe. Le faisceau infrarouge est guidé hors du spectromètre et est focalisée sur la surface de l'eau ultra-pure de la cuvette de Langmuir thermostaté. La lumière de p -polarization à un angle d'incidence inférieur à (40 °) , l'angle de Brewster a été utilisé pour les mesures. La cuvette de Langmuir pour la mesure IR est composée de deux compartiments: un compartiment dans le système monocouche d'échantillon est étalé, tandis que l'autre compartiment contient de l'eau ultra-pure sous-phase de référence. Un système de navette commandé par ordinateur, est utilisé pour déplacer la cuvette, de sorte que soit l'échantillon ou le compartiment de référence est éclairé. Pour éliminer le signal de la vapeur d'eau à partir des spectres, calculer le spectre de réflexion-absorption selon log (R / R 0), le faisceau unique spectre de réflectance du compartiment de référence (R 0) en tant que fond pour la réflexion monofaisceau spectrede la monocouche (R) à partir du compartiment d'échantillon. Maintenir la pression de vapeur d'eau constante en plaçant l'ensemble de l'installation expérimentale dans une boîte hermétiquement fermée. Dans toutes les expériences, utiliser une vitesse de résolution et d'un scanner de 8 cm -1 et 20 kHz, respectivement. Utilisez un polariseur à grille métallique pour polariser le faisceau incident IR. Co-ajouter les spectres avec p lumière multipolarisé plus de 400 scans. Effectuer une ligne de base de correction pour permettre une comparaison des spectres. Étaler une aliquote de 100 pi de la solution diluée d'achat d'actions de (3) sur l'eau ultrapure dans une cuvette de Langmuir comprenant une installation de spectroscopie de réflexion-absorption infrarouge (IRRA). Laisser la cuvette de Langmuir à équilibrer pendant 15 minutes en laissant le solvant à évaporer. Comprimer la couche à une pression superficielle de 1 mN / m avec un taux de compression constant de 5 Å / (x molécule min) en réduisant la surface de la cuvette de Langmuir avec les barrières. Surveiller le pré de surfacessure au moyen de la microbalance à la pression de surface avec une plaque de Wilhelmy de papier filtre et régler les barrières de la cuvette de Langmuir de telle sorte qu'une pression superficielle de 1 mN / m est maintenue. Enregistrement d' un spectre IR avec p lumière multipolarisé à un angle d'incidence de 40 ° 44,45. Comprimer la couche à un taux de compression constant de 5 Å / (molécule x min), en réduisant encore la surface de la cuvette de Langmuir avec les obstacles afin que les pressions de surface de 3, puis 5 et enfin 8 mN / m sont obtenus comme indiqué par la microbalance de pression de surface. Les spectres d'enregistrement avec la lumière à polarisation p d'un angle d'incidence de 40 ° pour chacune de ces pressions de surface tout en maintenant celle – ci constante 44,45. 3. carbonisation d'un Hexayne amphiphile monocouche à la température ambiante Remarque: Toutes les expériences à l'interface air-eau sont effectuées comme décrit ci-dessus. irradi UVtion est effectuée en utilisant un 250 W de gallium dopé à l'halogénure métallique lampe UV (UV-Light Technology, Birmingham, Royaume-Uni). Pour carbonisations de films à l'interface air-eau, la boîte enfermant la cuvette de Langmuir est soigneusement enlevé ou ouvert sur le côté, et la lampe est placée à 50 cm de la surface de l'eau tout en assurant que l'interface air-eau est traitée dans la cône de lumière UV. Au cours de l'éclairage, la température de la sous-phase est maintenue à 20 ° C en utilisant le thermostat de la cuve de Langmuir. Toutes les expériences de carbonisation sont effectuées à une pression superficielle de 8 mN / m. A cette pression, une garniture étanche d'amphiphiles est assurée tandis que, en même temps, la monocouche présente une stabilité élevée. Etude de la carbonisation par IRRA Spectroscopie et mesure Isotherme Remarque: les spectres IRRA sont enregistrés comme décrit ci – dessus 44,45. Étaler une aliquote de 100 pi de la solution diluée d'achat d'actions de (3) sur l'eau ultrapure dansla cuvette de Langmuir comprenant une configuration spectroscopie de réflexion-absorption infrarouge (IRRA). Laisser la cuvette de Langmuir à équilibrer pendant 15 minutes en laissant le solvant à évaporer. Comprimer la couche à un taux de compression constant de 5 Å / (molécule x min) en réduisant la surface de la cuvette de Langmuir avec les barrières de telle sorte qu'une pression superficielle de 8 mN / m est obtenu tel que mesuré par la microbalance de pression de surface équipé une plaque Wilhelmy de papier filtre. Définir les barrières de la cuvette de Langmuir de telle sorte qu'une pression superficielle de 8 mN / m est maintenue. Enregistrement d' un spectre IR avec p lumière multipolarisé à un angle d'incidence de 40 ° 44,45. Retirez délicatement la boîte enfermant la cuvette de Langmuir. Monter la lampe UV à un socle de support et le placer à une distance d'environ 50 cm de la surface de l'eau tout en veillant à ce que l'interface est traitée dans le cône de la lumière UV. Après avoir confirmé que la monocouche est encorecomprimé à une pression superficielle de 8 mN / m, telle que mesurée par la microbalance de pression de surface, régler les barrières de la cuvette de Langmuir afin qu'ils soient fixés à la position actuelle. Exposer l'interface air-eau à la lumière UV. Arrêtez l'irradiation en tournant la lampe après un total de 40 min d'irradiation. Surveiller et enregistrer le changement de la pression superficielle par la microbalance de pression de surface équipée d'une plaque de Wilhelmy de papier filtre pendant toute la durée de l'irradiation. Entourer la cuvette de Langmuir dans le boîtier étanche afin d'éviter une contamination de l'interface. Laissez le programme d'installation pour équilibrer pendant 30 min. Définir les barrières de la cuvette de Langmuir pour maintenir la pression de surface observée par la microbalance de pression de surface après l'irradiation. Enregistrement d' un spectre IR avec p lumière multipolarisé à un angle d'incidence de 40 ° 44,45. Investigation du Film Carbonized par Brewster Angle Microscopey Remarque: microscopie à angle de Brewster (BAM) expériences sont effectuées sur un ordinateur interfacé Langmuir auge-mesure couplé avec un angle microscope Brewster comme décrit par ailleurs 46,47. Les isothermes de pression de surface sont mesurées en continu pendant toute la durée des expériences de microscopie. La résolution latérale est d'environ 4 pm avec la configuration utilisée. simple logiciel de traitement d'image est utilisé pour améliorer le contraste des micrographies. Étaler une aliquote de 100 pi de la solution diluée d'achat d'actions de (3) sur l'eau ultrapure dans la cuvette de Langmuir aligné avec l'angle microscope Brewster. Laisser la cuvette de Langmuir à équilibrer pendant 15 minutes, en laissant le solvant à évaporer. Comprimer la couche à une pression superficielle de 8 mN / m avec un taux de compression constant de 5 Å / (x molécule min) en réduisant la surface de la cuvette de Langmuir avec les barrières. Surveiller la pression de surface au moyen de la pression de surfacemicrobalance sûr équipé d'un papier-filtre lame de Wilhelmy et fixer les barrières de la cuvette de Langmuir de telle sorte qu'une pression superficielle de 8 mN / m est maintenue. Enregistrez BAM micrographies à cette pression de surface 46,47. Ouvrez soigneusement la boîte enfermant la cuvette de Langmuir. Monter la lampe UV à un socle de support et le placer à une distance d'environ 50 cm de la surface de l'eau tout en veillant à ce que l'interface est traitée dans le cône de la lumière UV. Assurez-vous que la monocouche est encore comprimée à une pression de surface de 8 mN / m et fixer la position des barrières de la cuvette de Langmuir. Exposer l'interface air-eau à la lumière UV. Arrêtez l'irradiation en tournant la lampe après un total de 40 min. Surveiller et enregistrer le changement de la pression de surface sur toute la durée de l'irradiation. Micrographies BAM Record après irradiation 46,47. Utiliser une aiguille pour manipuler le nanofeuille de carbone à l'interface air-eau,et utiliser le BAM pour surveiller le mouvement du nanofeuille de carbone. Appliquer une pression à la nanofeuille de carbone conduit à une rupture de la feuille. Enregistrez BAM micrographies de la feuille rupture 46,47. Langmuir-Blodgett Transfert d'une couche uncarbonized et un nanofeuille carbone à partir de l'interface air-eau à un substrat solide Remarque: Le saphir (Al 2 O 3) substrats sont nettoyés avant le transfert par un traitement piranha de base et stockés dans l' eau ultrapure avant utilisation 48. Une paire de pinces fixées à un bras mécanique est placé verticalement au- dessus d' une cuvette de Langmuir avec une cavité appropriée en profondeur pour le transfert de Langmuir-Blodgett (LB) de couches à partir de l'interface air-eau 49. Si le transfert d'un non-carbonisées ainsi qu'un échantillon carbonisé est destiné au sein de la même expérience, telle que décrite ici, deux paires de pinces doivent être fixé au bras mécanique à des hauteurs différentes de sorte qu'un substrat de cun être retiré tandis que le second substrat reste immergé dans la sous-phase. Le transfert de Langmuir-Schäfer (LS) a été réalisée manuellement par microscopie électronique à transmission de carbone troué (TEM) des grilles de support 50. Installez deux substrats de saphir avec les deux paires de pinces, plonger les substrats dans la sous-phase, et nettoyez soigneusement l'interface air-eau avant de se propager. Étaler soigneusement une aliquote de 100 pi de la solution diluée d'achat d'actions de (3) dans du DCM / chloroforme sur l'eau ultrapure dans la cuvette de Langmuir. Laisser la cuvette de Langmuir à équilibrer pendant 15 minutes en laissant le solvant à évaporer. Comprimer la couche à une pression superficielle de 8 mN / m avec un taux de compression constant de 5 Å / (x molécule min) en réduisant la surface de la cuvette de Langmuir avec les barrières. Surveiller la pression de surface au moyen de la micro-balance de pression de surface équipée d'une plaque de Wilhelmy de papier filtre et définir les barrièresla cuvette de Langmuir de telle sorte qu'une pression superficielle de 8 mN / m est maintenue. Afin de transférer la monocouche non carbonisée sur un substrat de saphir, de maintenir la monocouche à une pression superficielle de 8 mN / m, comme indiqué par la microbalance de pression de surface et tirer le bras mécanique à une vitesse de 1,2 mm / min jusqu'à ce que la première substrat est complètement retiré de la sous-phase. Le second substrat doit rester immergé dans la sous-phase. récupérer soigneusement le premier substrat portant la couche non-carbonisée de la paire de pinces, le stocker à l'abri de la lumière et de l'employer pour l'application prévue en cas de besoin. Ouvrez soigneusement la boîte enfermant la cuvette de Langmuir. Monter la lampe UV à un socle de support et le placer à une distance d'environ 50 cm de la surface de l'eau, tout en veillant à ce que l'interface est traitée dans le cône de la lumière UV. Assurez-vous que la monocouche est encore comprimée à une pression de surface de 8 mN / m et fixer la position des barrières. Exposer l'interface air-eau à la lumière UV. Arrêtez l'irradiation en tournant la lampe après un total de 40 min d'irradiation. Surveiller et enregistrer le changement de la pression de surface telle que mesurée par la microbalance de pression de surface pendant toute la durée de l'irradiation. Afin de transférer le film carbonisé sur un substrat de saphir, de définir les barrières de la cuvette de Langmuir de telle sorte que la pression de surface mesurée après l'irradiation est maintenue. Tout en maintenant constante par les barrières de la cuvette de Langmuir la pression de surface, rétracter le bras mécanique de maintien du substrat à partir de l'interface à une vitesse de 1,2 mm / min jusqu'à ce que le substrat soit complètement retiré de la sous-phase. récupérer soigneusement le substrat portant la couche carbonisée de la paire de pinces. Tenir une grille de TEM de carbone holey avec une paire de pinces et d' effectuer un transfert de LS manuel de la couche carbonisée de l'interface air-eau 50. Soit til échantillonner lentement sec dans un léger courant d'azote et d'effectuer microscopie électronique à balayage (MEB) imagerie. spectres Record UV / Vis d'absorption de la couche non-carbonisées et nanofeuille de carbone sur un spectromètre UV / Vis à une vitesse de balayage de 400 nm par minute. Utilisez un saphir substrat vide comme référence.

Representative Results

13 C résonance magnétique nucléaire (RMN) de la molécule de précurseur préparée 3 présente les 12 sp hybridé atomes de carbone du segment hexayne avec les déplacements chimiques δ = correspondants de 82 à 60 ppm (figure 1b). Par ailleurs, les signaux à δ = 173 ppm et à δ = 52 ppm sont affectés au groupe carbonyle et le carbone méthyle de l'ester, respectivement. Les signaux entre δ = 33-14 ppm sont attribués au…

Discussion

L'agent amphiphile hexayne désiré (3) est carrément préparé par la bromation séquentielle 52,53 et 30,31 allongement du segment alcyne catalysées par Pd, suivie d'une réaction de déprotection finale de l'ester tritylphenyl (2) (figure 1a) 29. La synthèse réussie est confirmée par le spectre RMN 13 C (figure 1b), ainsi que le spectre UV-Vis d'absorption (figure 1c) 31,54. Cela démontre le…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Funding from the European Research Council (ERC Grant 239831) and a Humboldt Fellowship (BS) is gratefully acknowledged.

Materials

Methyllithium lithium bromide complex (2.2M solution in diethylether) Acros 18129-1000 air-sensitive, flammable
Zinc chloride (0.7M solution in THF) Acros 38945-1000 air-sensitive, flammable
1,1'-Bis(diphenylphosphino)ferrocene]
dichloropalladium(II), DCM adduct 		 Boron Molecular BM187
N-Bromosuccinimide Acros 10745 light-sensitive
Silver fluoride Fluorochem 002862-10g light-sensitive
n-Butyllithium (2.5M solution in hexanes) Acros 21335-1000 air-sensitive, flammable
Sodium methanolate Acros 17312-0050
Tetrahydrofuran (unstabilized, for HPLC) Fisher Chemicals T/0706/PB17 This solvent was dried as well as degassed using a solvent purification system (Innovative Technology, Inc, Amesbury, MA, USA)
Toluene (for HPLC) Fisher Chemicals T/2306/17 This solvent was dried as well as degassed using a solvent purification system (Innovative Technology, Inc, Amesbury, MA, USA)
Acetonitrile (for HPLC) Fisher Chemicals A/0627/17 This solvent was dried as well as degassed using a solvent purification system (Innovative Technology, Inc, Amesbury, MA, USA)
Dichloromethane (Extra Dry over Molecular Sieve) Acros 34846-0010
Chloroforme (p.a.) VWR International 1.02445.1000
Pentane Reactolab 99050 Purchased as reagent grade and distilled once prior to use
Heptane Reactolab 99733 Purchased as reagent grade and distilled once prior to use
Dichloromethane Reactolab 99375 Purchased as reagent grade and distilled once prior to use
Diethylether Reactolab 99362 Purchased as reagent grade and distilled once prior to use
Geduran silica gel (Si 60, 40-60µm) Merck 1115671000
Langmuir trough R&K, Potsdam
Thermostat  E1 Medingen
Hamilton syringe  Model 1810 RN SYR
Vertex 70 FT-IR spectrometer  Bruker
External air/water reflection unit (XA-511)  Bruker
UV lamp (250 W, Ga-doped metal halide bulb) UV-Light Technology
Brewster angle microscope (BAM1+)  NFT Göttingen
Sapphire substrates Stecher Ceramics
Quantifoil holey carbon TEM grids Electron Microscopy Sciences
Nuclear magnetic resonance spectrometer (Bruker Avance III 400) Bruker
JASCO V-670 UV/Vis spectrometer JASCO
Scanning Electron Microscope (Zeiss Merlin FE-SEM) Zeiss
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Schrettl, S., Schulte, B., Stefaniu, C., Oliveira, J., Brezesinski, G., Frauenrath, H. Preparation of Carbon Nanosheets at Room Temperature. J. Vis. Exp. (109), e53505, doi:10.3791/53505 (2016).
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