Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Utarbeidelse av Carbon Nanosheets ved romtemperatur

Published: March 8, 2016 doi: 10.3791/53505
Automatic Translation
1, 1, 2, 2, 2, 1
1Institute of Materials, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), 2Colloid Chemistry Department, Max Planck Institute of Colloids and Interfaces

Introduction

Todimensjonale karbonnanostrukturer tiltrekke seg betydelig oppmerksomhet på grunn av de rapporterte fremragende elektriske, termiske, samt mekaniske egenskaper 1-5. Disse materialene er forventet å fremme den tekniske utvikling innen polymer kompositter 6, energi lagringsenheter 7 og molekylær elektronikk 8-10. Til tross for intensiv forskningsinnsats i de senere årene har imidlertid tilgang til større mengder veldefinerte karbon nanomaterialer er fortsatt begrenset, noe som hindrer deres storskala implementering i teknologiske anvendelser 11,12.

Karbon nanomaterialer er tilgjengelig med enten top-down eller bottom-up tilnærminger. Typiske tilnærminger som peeling teknikker 13 eller høy energi prosesser på overflater 14-16 tilbyr muligheten til å skaffe materialer med en høy grad av strukturell perfeksjon og meget god ytelse. Imidlertid, isolering og rensing av the produkter er fortsatt utfordrende, og storskala produksjon av definerte nanostrukturerte materialer er vanskelig 12. På den annen side, kan bottom-up tilnærminger bli benyttet som baserer seg på bruk av molekyl forløpere, deres anordning i definerte strukturer, og en etterfølgende karbonisering som gir karbonanostrukturer 17-23. I dette tilfelle forløperne selv er mer kompleks og deres fremstilling krever ofte flere syntetiske trinn. Disse fremgangsmåtene kan gi en høy grad av kontroll over de kjemiske og fysikalske egenskaper for de resulterende materialer, og kan gi en direkte tilgang til skreddersydde materiale. Imidlertid er omdannelsen av forløperne til karbonnanomaterialer vanligvis utføres ved temperaturer over 800 ° C, noe som fører til et tap av den innebygde kjemisk funksjonalise 24-27.

De ovennevnte begrensningene har vært behandlet i vår gruppe ved å ansette høyt reaktive oligoynes at can bli omdannet til karbonnanomaterialer ved romtemperatur 28,29. Spesielt amfifiler omfattende en hydrofil hodegruppe og en hexayne segment er tilgjengelige gjennom en sekvens av bromering og palladium-mediert Negishi kryss-koblingsreaksjoner 30,31. Omdannelsen av disse forløpermolekyler til målstrukturen forekommer ved eller under værelsetemperatur ved bestråling med UV-lys. Den høye reaktivitet av de oligoyne amfifilene gjør bruken av myke malene, slik som grensesnittet luft-vann eller væske-væske-grensesnitt, er mulig. I tidligere undersøkelser, vi får forberedt vesikler fra løsninger av hexayne glycoside amfifiler 28. Tverrbinding av disse vesiklene ble oppnådd under milde betingelser ved UV-bestråling av prøvene. Videre har vi nylig fremstilt selv-sammensatte monolag fra hexaynes med et metylkarboksylat hodegruppe og en hydrofob alkyl- hale ved luft-vann-grensesnittet i en Langmuir trau. Den tettpakkeed molekylære forløpere ble så oversiktlig omdannet til selvbærende karbon nanosheets ved romtemperatur ved UV-bestråling. I beslektede fremgangsmåter som er definert molekyl forløpere har nylig blitt benyttet for fremstilling av to-dimensjonalt utvidede nanosheets i grensesnittet luft-vann 32-38.

Målet med dette arbeidet er å gi en kortfattet og praktisk oversikt over de samlede syntese og fabrikasjon skritt som gir mulighet for utarbeidelse av karbon nanosheets fra hexayne amfifiler. Fokuset er på den eksperimentelle tilnærming og preparative spørsmål.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Forsiktig: Sørg for å konsultere de relevante materialer sikkerhetsdatablad (MSDS) før bruk av kjemiske forbindelser. Noen av kjemikaliene som brukes i disse syntesene er akutt giftige og kreftfremkallende. Preparerte nanomaterialer kan ha flere farer i forhold til sin bulk motstykke. Det er viktig å bruke alle nødvendige sikkerhetsrutiner når du utfører reaksjoner (avtrekk) og personlig verneutstyr (vernebriller, hansker, lab frakk, full lengde bukser, lukket-toe sko). Hvis ikke annet er oppgitt følgende prosedyrer innebære standard Schlenk teknikker 39.

1. Klargjøring av Molecular Precursor 29,31

  1. Syntese av 4-tritylphenyl 10 (trimetylsilyl) deca-5,7,9-triynoate (1)
    Merk: De nødvendige forbindelser for senere beskrevet syntetiske trinn kan oversiktlig fremstilt etter publiserte litteraturprosedyrer 29,31. Tynt lag Chromatogrhy (TLC), samt kolonnekromatografi utføres i henhold til standard laboratorieprosedyrer 39,40.
    1. Oppløs 1,4-bistrimethylsilylbutadiene (7,82 g, 40,3 mmol) i tørr tetrahydrofuran (THF, 50 ml) i en inert atmosfære i et Schlenk-rør utstyrt med et septum. Rør blandingen og kjøle den til en temperatur på 0 ° C ved nedsenking av kolben i et isbad.
    2. Tilsett langsomt metyllitium litiumbromid-kompleks (17,9 ml, 2,2 M i Et2 O, 39,3 mmol) til denne løsning ved hjelp av sprøyte. Fjern kjølebadet og la blandingen varmes opp til romtemperatur og la omrøring i 30 min.
    3. Dyppes Schlenk-rør i et isbad og avkjøl løsningen til en temperatur på 0 ° C. Tilsett langsomt en løsning av sinkklorid (57,5 ml, 0,7 M i THF, 40,24 mmol) til den omrørte løsning. Fjern kjølebadet, la oppløsningen varmes opp til romtemperatur, og blandingen rørt i ytterligere 30 min.
    4. I en Schlenk kolbe, disperse palladiumkatalysatoren PdCl2 (dppf) DCM (1,60 g, 1,96 mmol) i tørr toluen (300 ml) i en inert atmosfære, og tilsett 4-tritylphenyl 6-bromohex-5-ynoate (10,0 g, 19,63 mmol). Avkjøl blandingen til en temperatur på 0 ° C ved nedsenking av Schlenk-flaske i et isbad.
    5. Overfør løsningen i Schlenk-rør inneholdende sink acetylid til Schlenk-kolbe som inneholdt den bromoacetylene derivatet og palladium-katalysator ved anvendelse av en overføring kanyle. La blandingen under omrøring og overvåke reaksjonen ved hjelp av TLC 39. Betrakt reaksjonen fullført etter TLC (DCM / n-heptan 2: 1; farging med p -anisaldehyde løsning 39) indikerer at bromoacetylene derivatet (Rf: 0,64) er konsumert (etter ca. 16 timer).
    6. Fortynn reaksjonsblandingen med dietyleter (Et2 O) (300 ml) og overføre den til en skilletrakt. Vask den organiske fase tre ganger med Saturated ammoniumklorid-løsning (300 ml) og en gang med mettet natriumkloridoppløsning (300 ml).
    7. Overfør den organiske fase fra skilletrakten til en Erlenmeyer-kolbe og tørk den organiske fase over natriumsulfat (100 g). Fjerne natriumsulfat ved filtrering og konsentrer den organiske fase i vakuum.
    8. Rens det urene produkt ved kolonnekromatografi 40 (kiselgel; diklormetan / n-heptan 1: 1) for å oppnå det ønskede produkt 1 (R f: 0,33; 7,7 g, 71%) som et lysebrunt, fast stoff. Sjekke renheten av (1) ved 1H og 13C {1H} NMR-spektroskopi 29.
  2. Syntese av 4-tritylphenyl octacosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate (2)
    Merk: Syntesen av 4-tritylphenyl octacosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate 2 gjennomføres over to trinn starter fra 4-tritylphenyl 10 (trimetylsilyl) deka-5,7,9-triynoate grunn den observerte lave stabiliteten av det mellomliggende triyn- bromide 41.
    1. Oppløs 4-tritylphenyl 10- (trimetylsilyl) deca-5,7,9-triynoate 1 (2,00 g, 3,63 mmol) i tørr diklormetan (DCM, 15 ml) i en inert atmosfære, i en 100 ml Schlenk-kolbe utstyrt med septum. Etter oppløsning av forbindelsen, tilsette tørr acetonitril (MeCN, 15 ml).
    2. Beskytt Schlenk kolben mot lys med aluminiumsfolie og legg N-bromsuccinimid (679 mg, 3,81 mmol) samt sølv fluor (484 mg, 3,81 mmol). Omrør den resulterende blanding i 8 timer ved romtemperatur og overvåke fremdriften av reaksjonen ved TLC. Betrakt reaksjonen fullført etter TLC (DCM / n-heptan 1: 1; påvisning med p -anisaldehyde oppløsning 39 som fargemiddel) viser at utgangsmaterialet (1) (Rf: 0,33) er konsumert (etter ca. 3 timer) .
    3. Reaksjonsblandingen fortynnes med DCM (30 ml) og overføre den til en skilletrakt. Vask den organiskefase seks ganger med 1 M vandig hydrogenklorid-oppløsning (60 ml) og én gang med en mettet, vandig natriumkloridløsning (60 ml).
    4. Overfør den organiske fase fra skilletrakten til en Erlenmeyer-kolbe og tørk den organiske fase over natriumsulfat (50 g). Filtrer den organiske fase og konsentrer filtratet i vakuum til ca. 10 ml, mens grundig skjerming mot lys.
    5. Legg tørr toluen (20 ml) og konsentrer blandingen nok en gang i vakuum til et volum på omtrent 5 ml.
    6. Oppløs 1-trimethylsilyloctadeca-1,3,5-triyn- (2,28 g, 7,26 mmol) i tørr THF (20 ml) i en inert atmosfære, i en 100 ml Schlenk-rør utstyrt med et gummiseptum. Avkjøl løsningen til en temperatur på 0 ° C ved nedsenking av Schlenk-rør i et isbad.
    7. Tilsett langsomt metyllitium litiumbromid-kompleks (3,22 ml, 2,2 M i Et2 O, 7,08 mmol) og holde temperaturen av blandingen ved0 ° C i 45 minutter.
    8. Til denne blanding tilsett langsomt en løsning av sinkklorid (10,37 ml, 0,7 M i THF, 7,26 mmol). Etter at tilsetningen er fullført, omrøres den resulterende blanding i ytterligere 45 min.
    9. Parallelt dispergere palladiumkatalysatoren PdCl2 (dppf) DCM (296 mg, 0,36 mmol) i tørr toluen (100 ml) i en inert atmosfære, i en 500 ml Schlenk-kolbe utstyrt med et gummiseptum. Avkjøl blandingen til en temperatur på 0 ° C ved nedsenking av kolben i et isbad.
    10. Tilsett langsomt n-butyllitium (0,29 ml, 2,5 M i n-heksan, 0,73 mmol) til dispersjonen av palladiumkatalysatoren i tørr toluen. Fjern isbadet etter fullstendig tilsetning, og blandingen rørt i 10 minutter ved romtemperatur, og deretter avkjøle den til en temperatur på 0 ° C.
    11. Tilsett konsentrert toluenløsning inneholdende 4-tritylphenyl 10-bromodeca-5,7,9-triynoate (10 ml, 3,63 mmol) gjennom en sprøyte samtidig med sinken acetylid såning (se ovenfor), som blir tilsatt gjennom en kanyle overføring fra den Schlenk-rør. Skjerme kolben med reaksjonsblandingen fra lys med aluminiumsfolie.
    12. Overvåke utviklingen av reaksjonen ved TLC (DCM / n-heptan 1: 1; deteksjon med p -anisaldehyde løsning 39 som fargestoff). Etter fullstendig forbruk av 4-tritylphenyl 10-bromodeca-5,7,9 triynoate (Rf: 0,34, og etter ca. 48 timer), fortynn blandingen med Et2 O (100 ml) og overføre den til en skilletrakt. Vask den organiske fase tre ganger med en mettet vandig ammoniumklorid-løsning (200 ml) og én gang med en mettet, vandig natriumkloridløsning (200 ml).
    13. Overfør den organiske fase til en Erlenmeyer-kolbe og tørker den over natriumsulfat (80 g). Filtrer den organiske fase og konsentrer filtratet i vakuum.
    14. Rens det urene produkt ved kolonnekromatografi 40 (silica gel; DCM / n-heptan 1: 1) for å isolere 4-tritylphenyl octacosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate (2) (R f: 0,43; 0,60 g, 23%) som et brunt, fast stoff. Sjekke renheten av (2) ved 1H og 13C {1H} NMR-spektroskopi 29.
  3. Syntese av metyl octacosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate (3)
    1. Oppløs 4-tritylphenyl octacosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate (2) (208 mg, 0,289 mmol) i DCM (15 ml) i en inert atmosfære, i en 100 ml Schlenk-kolbe og tilsett metanol ( 10 ml).
    2. Beskytt flasken mot lys med aluminiumsfolie, og legg natriummetanolat (31 mg, 0,578 mmol).
    3. Omrør den resulterende blanding i 30 min ved romtemperatur. Deretter ble fortynnet med DCM (15 ml), overføring til en skilletrakt, vask en gang med en 1 M vandig hydrogenklorid-oppløsning (30 ml), og en gang med mettet, vandig natriumkloridløsning (30 ml).
    4. Overfør den organiske fase inn i en Erlenmeyer-kolbe og tørk den over natriumsulfat (30 g). Filtrer den organiske fase og konsentrer filtratet i vakuum.
    5. Rens det urene produkt ved kolonnekromatografi 40 (silikagel, DCM / n pentan 1: 1) for å isolere metyl octacosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate (3) (Rf: 0,62) som et gul oppløsning. Lagre produktet av denne reaksjonen som en fortynnet DCM løsning (10 ml) for å minimere nedbrytning.
    6. Overfør ca. 3 ml av stamoppløsning til en brun glassrundkolbe og tilsett CDCI3 (5 ml). Konsentrer løsningen til ca. 1 ml i vakuum, tilsett CDCI3 (5 ml), og konsentrer løsningen til ca. 1 ml i vakuum. Utføre 1H og 13C {1H} NMR-spektroskopi med denne løsningen for å kontrollere renheten av (3) 29.
  4. Frysetørking av denMethyl Ester og klargjøring av en lagerløsning
    1. Fremstille en stamoppløsning av definert konsentrasjon (c = 1 mM) for eksperimenter ved luft-vann-grenseflaten. Overføre en fraksjon av den fortynnede oppløsning av metyl octacosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate i DCM til en tarert 50 ml brun glassrundkolbe og konsentrer løsningen til ca. 1 ml i vakuum.
    2. Koble kolben til en vakuumledning og dyppe kolben i flytende nitrogen for å fryse den konsentrerte oppløsning. Etter at blandingen er fullstendig størknet, anvend vakuum (ca 5 x 10 -3 mbar) til kolben og fjern kolben fra det flytende nitrogenet.
    3. Etter fullstendig fjerning av gjenværende løsningsmiddel, veie kolben under skjerming mot lys. Fremstille en stamoppløsning av definerte konsentrasjon c = 1 mM ved tilsetning av den passende mengde av kloroform. Beskytt stamløsning mot lys og oppbevares ved en temperatur på -15 ° C.

    2. Film Dannelse av Hexayne amfifilen ved grensesnittet luft-vann

    Merk: Alle forsøk på luft-vann-grensesnittet er utført med data tilkobles polytetrafluoretylen Langmuir trau med en (eller to) barrierer. Trauene er utstyrt med et overflatetrykk mikrovekt med et filterpapir Wilhelmy plate. En utvendig termostat blir brukt til å opprettholde temperaturen i ultrarent vann subphase ved 20 ° C. Langmuir trau er plassert i en forseglet boks for å unngå forurensning av grenseflaten. Før målingene blir utført, blir renheten av den nakne overflate kontrolleres ved sammenpressing. Alle brukte forsøks Langmuir oppsett er kalibrert før bruk ved å anvende en to-punkts kalibrering: nakne vannoverflaten for 0 mN / m, så vel som den andre-ordens overgang fra en skrå til en ikke-vippet tilstand av stearinsyre 42, som ikke er følsom for temperaturendringer i det brukte Temperature rekkevidde. Dette sikrer pålitelige og sammenlignbare målinger.

    1. Måling av overflatetrykk-område Isoterm og bestemmelse av kompressibiliteten Modulus
      1. Bruke en sprøyte til forsiktig å 100 ul av den fortynnede masse løsning av (3) i DCM / kloroform (c = 1 mmol / l) på overflaten av den ultrarent vann i en Langmuir trau.
      2. La Langmuir trau til likevekt i 15 minutter slik at løsningsmidlet fordamper.
      3. Komprimere lag med en konstant kompresjonshastighet på 5 Å / (molekyl x min) ved å redusere overflatearealet av Langmuir trau med barrierer. Samtidig måler overflatetrykket med overflatetrykket mikrovekten er utstyrt med et filterpapir Wilhelmy plate. Fortsetter komprimeringen av laget til et fall i overflatetrykket indikerer sammenbruddet av filmen.
      4. Gjenta overflatetrykk-området isoterm målinger som beskrevet i 2.1.1-2.1.3 to gangermed en ren Langmuir trau for å sikre reproduserbarhet av resultatene.
      5. Bestem komprimerbarhet modulus fra isotermen av laget i henhold til følgende relasjon 43
        C s -1 = - A (∂ Π / ∂ A) T
        hvor A er den midlere molekylområdet og Π overflatetrykket.
    2. Undersøkelse av stabiliteten i laget under og over platået i Isoterm
      1. Spre en delmengde av 100 ul av den fortynnede masse løsning av (3) med ultrarent vann i en Langmuir trau.
      2. La Langmuir trau til likevekt i 15 minutter slik at løsningsmidlet fordamper.
      3. Komprimer sjikt til et overflatetrykk på 8 mN / m med en konstant kompresjonshastighet på 5 Å / (molekyl x min) ved å redusere overflatearealet av Langmuir trau med barrierer. Fortsetter komprimeringen av laget inntil den målte suransikt trykket når 8 mN / m og sett barrierer, slik at denne flaten trykket holdes på en konstant verdi.
      4. Overvåke utviklingen av overflatearealet som barrierer av Langmuir trau justeres i løpet av 45 min for å opprettholde et konstant overflatetrykk på 8 mN / m.
      5. Komprimer sjikt til et overflatetrykk på 23 mN / m med en konstant kompresjonshastighet på 5 Å / (molekyl x min) ved ytterligere reduksjon av overflatearealet av Langmuir trau med barrierer. Still barrierene slik at overflatetrykket holdes konstant ved 23 mN / m.
      6. Overvåke utviklingen av overflatearealet som barrierer av Langmuir trau justeres i løpet av 45 min for å opprettholde et konstant overflatetrykk på 23 mN / m.
    3. Karakterisering av lag av Infrared Reflection-absorpsjon spektroskopi
      Merk: For å registrere infrarød (IR) spektra, et FT-IR spektrometer utstyrt med en flytende nitrogen kjølt kvikksølv kadmium Telluride (MCT) detektor anvendes, og den sistnevnte er festet til en ekstern luft / vann refleksjon enhet. IR-strålen føres ut av spektrometeret og fokusert på den ultrarent vann overflaten av termostatreguleres Langmuir trau. Lys av p -polarization ved en innfallsvinkel under (40 °) Brewster-vinkelen ble anvendt for målingene. Langmuir trau for IR-målinger består av to kamre: i et kammer, blir prøven monolaget system spre seg, mens det andre rommet inneholder det ultrarent vann subphase som en referanse. En datamaskin-styrt pendelsystem blir brukt til å bevege seg i rennen, slik at enten prøve eller referanserommet lyser. For å eliminere vanndampen signal fra spektrene, beregne refleksjons-absorpsjonsspektrum ifølge log (R / R 0), med den enkeltstråle refleksjon spektrum fra referansekammeret (R 0) som en bakgrunn for den enkelt-bjelke reflektans spektrumav monolaget (R) fra prøvekammeret. Opprettvanndamptrykket konstant ved å plassere hele forsøksopplegget inn i en hermetisk lukket boks. I alle eksperimenter, bruk en oppløsning og skanner hastighet på 8 cm -1 og 20 kHz, henholdsvis. Bruk en stålnett polarisator å polarisere hendelsen IR strålen. Co-tilsett spektra med p -polarized lys over 400 skanninger. Utføre en grunnlinje-korreksjon for å muliggjøre en sammenligning av spektrene.
      1. Spre en delmengde av 100 ul av den fortynnede masse løsning av (3) med ultrarent vann i en Langmuir trau som omfatter en infrarød refleksjons-absorpsjon (IRRA) spektroskopi oppsett.
      2. La Langmuir trau til likevekt i 15 minutter slik at løsningsmidlet fordamper.
      3. Komprimer sjikt til et overflatetrykk på 1 mN / m med en konstant kompresjonshastighet på 5 Å / (molekyl x min) ved å redusere overflatearealet av Langmuir trau med barrierer. Overvåk overflaten pressure ved hjelp av overflatetrykket mikrovekt med et filterpapir Wilhelmy plate og sett barrierer av Langmuir trau, slik at et overflatetrykk på 1 mN / m opprettholdes.
      4. Ta opp et IR-spektrum med p -polarized lys ved en innfallsvinkel på 40 ° 44,45.
      5. Komprimering av sjiktet ved en konstant kompresjonshastighet på 5 Å / (molekyl x min) ved ytterligere reduksjon av overflatearealet av Langmuir trau med barrierer, slik at overflatetrykk på 3, og deretter 5, og endelig 8 mN / m blir oppnådd som indikert av overflatetrykket mikrovekten. Record spektra med p -polarized lys ved en innfallsvinkel på 40 ° for hver av disse flatetrykk, samtidig som den sistnevnte konstant 44,45.

    3. Semente av en Hexayne amfifil med ett lag i romtemperatur

    Merk: Alle eksperimenter ved luft-vann-grenseflaten er utført som beskrevet ovenfor. UV irradiasjon blir utført ved hjelp av en 250 W gallium-dopet metallhalogen UV-lampe (UV-lys Technology, Birmingham, Storbritannia). For carbonizations filmer ved luft-vann-grenseflaten, blir boksen omsluttende Langmuir trau forsiktig fjernet eller åpnet på siden, og lampen er plassert 50 cm fra vannoverflaten samtidig som man sikrer at den luft-vanngrenseflaten er dekket i kjegle av UV-lys. Under belysning, blir temperaturen av den subphase holdt ved 20 ° C ved hjelp av termostat av Langmuir trau. Alle karbonise forsøk utføres ved et overflatetrykk på 8 mN / m. Ved dette trykket en tett pakking av amfifilene sikres mens, på samme tid, viser den monolaget en høy stabilitet.

    1. Gransking av Semente ved IRRA spektroskopi og Isoterm måling
      Merk: IRRA spektra registreres som beskrevet ovenfor 44,45.
      1. Spre en delmengde av 100 ul av den fortynnede masse løsning av (3) med ultrarent vann iLangmuir trau som omfatter en infrarød refleksjon-absorpsjon spektroskopi (IRRA) setup.
      2. La Langmuir trau til likevekt i 15 minutter slik at løsningsmidlet fordamper.
      3. Komprimering av sjiktet ved en konstant kompresjonshastighet på 5 Å / (molekyl x min) ved å redusere overflatearealet av Langmuir trau med barrierer, slik at et overflatetrykk på 8 mN / m blir oppnådd som målt ved overflatetrykket mikro utstyrt med et filterpapir Wilhelmy plate. Still barrierer av Langmuir trau, slik at et overflatetrykk på 8 mN / m opprettholdes.
      4. Ta opp et IR-spektrum med p -polarized lys ved en innfallsvinkel på 40 ° 44,45.
      5. Fjern forsiktig boksen som omslutter Langmuir trau. Monter UV lampe til en stativet og plasser den ca 50 cm fra vannflaten samtidig som man sikrer at grensesnittet er dekket i kjegle av UV-lys.
      6. Etter å ha bekreftet at monolaget er fremdeleskomprimert ved et overflatetrykk på 8 mN / m, målt ved overflatetrykket mikrovekten, sett barrierer av Langmuir trau, slik at de er festet i den aktuelle posisjonen.
      7. Utsette luft-vann-grensesnitt for UV-lys. Stopp bestråling ved å slå av lampen etter totalt 40 minutter av bestråling. Overvåke og registrere endringen av overflatetrykk ved overflatetrykket mikrovekten er utstyrt med et filterpapir Wilhelmy plate i løpet av bestrålingen.
      8. Omslutter Langmuir trau i den lukkede eske for å unngå en forurensning av grenseflaten. La oppsettet til stabilisering i 30 min. Still barrierer av Langmuir trau for å holde overflatetrykket observert av overflatetrykket mikrovekten etter bestråling.
      9. Ta opp et IR-spektrum med p -polarized lys ved en innfallsvinkel på 40 ° 44,45.
    2. Gransking av Carbonized film etter Brewster Angle mikroskopy
      Merk: Brewster vinkel mikroskopi (BAM) eksperimenter utført på en skreddersydd PC-grensesnitt Langmuir trau kombinert med en Brewster vinkel mikroskop som beskrevet andre steder 46,47. Flatetrykket isotermer blir kontinuerlig målt i løpet av de mikroskopi eksperimenter. Den laterale oppløsning er ca 4 mikrometer med ansatt oppsett. Enkel bildebehandling programvare brukes til å forbedre kontrasten av mikrografer.
      1. Spre en delmengde av 100 ul av den fortynnede masse løsning av (3) med ultrarent vann i Langmuir trauet på linje med Brewster-vinkel mikroskop.
      2. La Langmuir trau til likevekt i 15 minutter, slik at oppløsningsmidlet fordamper.
      3. Komprimer sjikt til et overflatetrykk på 8 mN / m med en konstant kompresjonshastighet på 5 Å / (molekyl x min) ved å redusere overflatearealet av Langmuir trau med barrierer. Overvåke overflatetrykket ved hjelp av overflate presat mikro utstyrt med et filterpapir Wilhelmy plate og sett barrierer av Langmuir trau, slik at et overflatetrykk på 8 mN / m opprettholdes.
      4. Rekord BAM mikrografer på dette overflatetrykk 46,47.
      5. Åpne forsiktig boksen som omslutter Langmuir trau. Monter UV lampe til en stativet og plasser den ca 50 cm fra vannflaten samtidig som man sikrer at grensesnittet er dekket i kjegle av UV-lys.
      6. Sørge for at den monolaget fremdeles er komprimert ved et overflatetrykk på 8 mN / m, og bestemme posisjonen av barrierene i Langmuir trau.
      7. Utsette luft-vann-grensesnitt for UV-lys. Stopp bestråling ved å slå av lampen etter totalt 40 min. Overvåke og registrere endringen av overflatetrykk i løpet av bestrålingen.
      8. Record BAM mikrografer etter bestråling 46,47.
      9. Bruke en nål for å manipulere karbonet nanosheet ved luft-vann-grenseflaten,og bruke den BAM å overvåke bevegelsen av karbonet nanosheet. Påføring av trykk til det karbon nanosheet fører til et brudd av platen.
      10. Rekord BAM mikrografer av den knuste ark 46,47.
    3. Langmuir-Blodgett Overdragelse av Uncarbonized lag og en Carbon Nanosheet fra grensesnittet luft-vann til et fast substrat
      Merk: safir (Al 2 O 3) underlag rengjøres før overføring av en grunnleggende piraja behandling og lagres i ultrarent vann før bruk 48. En pinsett festet til en mekanisk arm er plassert vertikalt over en Langmuir trau med et passende dypt hulrom for Langmuir-Blodgett (LB) overføring av lag fra luft-vann-grenseflaten 49. Hvis overføringen av en ikke-karbonisert, så vel som et karbonisert prøve er ment innenfor det samme eksperiment, som beskrevet her, to par av pinsett må være festet til den mekaniske armen i forskjellige høyder, slik at man substrat cen fjernes mens andre substratet forblir nedsenket i subphase. Den Langmuir-Schäfer (LS) overføring ble utført manuelt med holey karbon transmisjonselektronmikroskopi (TEM) nett som en støtte 50.
      1. Installer to safir substrater med de to parene med pinsett, senk underlag i subphase, og rengjør grensesnittet luft-vann før spredning.
      2. spredt omhyggelig en delmengde av 100 ul av den fortynnede masse løsning av (3) i DCM / kloroform om ultrarent vann i Langmuir trau.
      3. La Langmuir trau til likevekt i 15 minutter slik at løsningsmidlet fordamper.
      4. Komprimer sjikt til et overflatetrykk på 8 mN / m med en konstant kompresjonshastighet på 5 Å / (molekyl x min) ved å redusere overflatearealet av Langmuir trau med barrierer. Overvåke overflatetrykket ved hjelp av overflatetrykket mikrovekten er utstyrt med et filterpapir Wilhelmy plate og sett barrierer avLangmuir trau, slik at et overflatetrykk på 8 mN / m opprettholdes.
      5. For å overføre den ikke-karboniserte monosjikt i et safir-substrat, opprettholde den monolaget ved et overflatetrykk på 8 mN / m som indikert med overflatetrykket mikro og trekke den mekaniske armen opp ved en hastighet på 1,2 mm / min inntil den første underlaget er helt fjernet fra subphase. Den andre underlag må ligge nedsenket i subphase.
      6. hente forsiktig første underlaget bærer ikke forkullet lag fra pinsett, lagre den under beskyttelse mot lys og benytter det til det tiltenkte formålet når det trengs.
      7. Åpne forsiktig boksen som omslutter Langmuir trau. Monter UV lampe til en stativet og plasser den ca 50 cm fra vannoverflaten, samtidig som man sikrer at grensesnittet er dekket i kjegle av UV-lys.
      8. Kontroller at mono fortsatt komprimert ved et overflatetrykk på 8 mN / m og fikse posisjoneringn av barrierene.
      9. Utsette luft-vann-grensesnitt for UV-lys. Stopp bestråling ved å slå av lampen etter totalt 40 minutter av bestråling. Overvåke og registrere endringen av overflatetrykket som måles ved overflatetrykket mikrovekten i løpet av bestrålingen.
      10. For å overføre den karboniserte filmen til et safir-substrat, sett barrierer av Langmuir trau slik at overflatetrykket målt etter bestråling blir opprettholdt. Samtidig som overflatetrykket konstant ved barrierene av Langmuir trau, trekke tilbake den mekaniske arm som holder substratet fra grenseflaten med en hastighet på 1,2 mm / min inntil substratet er fullstendig fjernet fra subphase.
      11. hente nøye underlaget bærer forkullet lag fra pinsett.
      12. Holder en hullete karbon TEM gitter med en pinsett og utføre en manuell LS overføring av den karboniserte laget fra luft-vann-grenseflaten 50. la than prøve langsomt tørke i en forsiktig strøm av nitrogen og utføre skanning elektronmikroskopi (SEM) avbildning.
      13. Record UV / Vis-absorpsjonsspektra av det ikke-karbonisert sjikt og den karbon nanosheet på et UV / Vis-spektrometer ved en skannehastighet på 400 nm pr minutt. Bruke en tom safir-substrat som referanse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Den 13C kjernemagnetisk resonans (NMR) spektrum av den fremstilte forløpermolekylet 3 viser de 12 sp -hybridized karbonatomer i hexayne segmentet med tilsvarende kjemiske skift av δ = 82-60 ppm (Figur 1b). Videre er signalene ved δ = 173 ppm og ved δ = 52 ppm overdratt til karbonyl og metyl-karbonet av esteren hhv. Signalene mellom δ = 33-14 ppm er tilskrevet til de alifatiske karbonatomer i den dodecyl rest. Den tilsvarende UV / Vis absorpsjonsspektrum 3 viser den karakteristiske vibronic finstruktur av en hexayne (figur 1c).

De filmdannende egenskaper av den amfifile bestanddel hexayne (3) blir undersøkt ved måling av overflatetrykk-område isotermen og ved å utlede kompressibilitet moduler (Figur 2a-b). Komprimering av sjiktet fører til en økning av overflaten trykk ved en midlere molekyl område av 24 en 2 og isotermen har en bratt skråning. Videre er en sterkt skråstilt platå region observert mellom flatetrykk av 9 og 15 mN / m, svarende til gjennomsnittlig molekyl områder 22 og 18 en 2, respektivt. Over platået er en andre bratt økning av helningen av isoterm observert opp til kollaps av filmen ved et overflatetrykk på 37 mN / m tilsvarende en midlere molekyl område fra 17 Å 2. En opptegning av de for komprimerbarhet modul versus overflatetrykket viser at de tidligere øker til verdier av C s -1> 100 mN / m, selv ved flatetrykk så lavt som 1-9 mN / m. Dette etterfølges av en reduksjon av modulen i platået region, og en ytterligere økning utover verdiene av C s -1> 300 mN / m opptil sammenbruddet av filmen. Overvåking av laget av (3) ved et overflatetrykk på 8 mN / m viser ingen endring i det tilsvarende overflatearealet (figur 2c). Ved et overflatetrykk på 23 mN / m over platået i isotermen imidlertid en betydelig reduksjon av overflatearealet forekommer i løpet av 45 min (figur 2d).

Den selvmonterte monosjikt ved flatetrykk under platå i isotermen er kjennetegnet ved å registrere infrarød refleksjon absorpsjon (IRRA) spektra (figur 3). Den IRRA spektra ved overflatetrykk av 1-8 mN / m viser brede bånd på 3.600 og 1.670 cm -1 som oppstår fra OH strekke og bøye vibrasjoner av vann, henholdsvis. Videre er et bånd ved 2350 cm -1 observert som stammer fra en utilstrekkelig kompensasjon av karbondioksyd-signalet (figur 3a). Next til disse bakgrunnssignalene, blir spektrene visnings bånd ved 2919 og 2849 cm-1 som korresponderer til det asymmetriske og symmetriske CH2 strekker vibrasjoner av dodecyl- rester av amfifile bestanddel (3) (figur 3b). Posisjonene av disse båndene tjener som kvalitative markører for den konformasjonelle orden alkylrester i monolag ved luft-vann-grenseflaten 45,51. Videre er båndene ved 2200 og 2171 cm-1 observert som kan tilordnes til de C = C strekk vibrasjoner av hexayne delen (figur 3c). Den IRRA spektra endres ikke ved sammentrykking av sjiktet til forskjellige overflatetrykk under platå i isotermen.

Den karbonise prosessen overvåkes ved IRRA spektroskopi og utviklingen av overflatetrykket følges ved hjelp av overflatetrykket mikrovekten (figur 4). En comparispå av IRRA spektra før og etter UV-bestråling viser at vibrasjonen bandet forbundet med hexayne delene (ν (C = C)) ved 2200 og 2172 cm -1 er helt forsvunnet etter 40 min av bestråling (figur 4c). På samme tid, det asymmetriske og symmetriske metylen strekking vibrasjoner ved 2,919 og 2,849 cm -1 reduksjon i intensitet og skifte til frekvenser på 2,924 og 2,855 cm-1, henholdsvis (figur 4b). Videre er OH båndet til subphase (ν (OH)) ved 3600 cm -1 vesentlig avtar i intensitet i løpet av bestrålingen (figur 4a). Dataene fra overflatetrykket mikrovekten viser at, når barrierene er fast etter komprimering av monolaget til 8 mN / m og UV-bestråling er startet, øker overflatetrykket raskt utover verdier på 27 mN / m i løpet av carbonization prosess.

Filmer som er overført til safir substrater etter UV-induserte karbonisering viser en bred, særpreg absorpsjonen ved bølgelengder på opp til 550 nm i den respektive UV / Vis-spekteret (figur 4e). Den viktigste absorpsjonstopp av karbon nanosheets observeres ved ca. 260 nm, og sammenligningen med spektrum av monolaget før bestrålingen bekrefter den fullstendige omdannelse av hexayne grupper. Brewster vinkelmikrografer (figur 5) og scanning elektronmikroskopi (SEM) bilder tjene som et middel for å visualisere de oppnådde karbon nanosheets (figur 6). Mens Brewster vinkelmikrografer av et monolag av den amfifile bestanddel (3) komprimert til 8 mN / m viser en film med ujevnheter eller hulrom som antydet ved de sorte områder (figur 5a), bilder av det lag som oppnås etter karbonisering ved UV-bestråling dispriker en tydelig endring i strukturen av filmen (figur 5b, c). Etter brudd av plate øyene forblir svevende i luft-vann-grenseflaten (figur 5d). Elektronmikroskopi viser nanosheets etter Langmuir-Schäfer overføring til en holey karbon TEM rutenett som støtte. De nanosheets er mekanisk stabilt nok til å span mikrometer store hull i en TEM rutenett (Figur 6a-d). En svak kontrast observeres mellom områder som er dekket med det karbon nanosheet og andre ved en akselererende spenning på 2,0 kV (figur 6a, og den mørke flekker synlig i bildet oppstår fra den lille arbeidsavstanden som fører til en skyggeeffekt ved lave forstørrelse). Bilder som tas ved den samme posisjon markere påvirkning av den akselererende spenning, som karbon nanosheet blir ugjennomsiktig for elektronstrålen på rundt 0,5 kV, og det karbon nanosheet viser drapering, så vel som rynker på sin kant (figur 6b, c). Filmen er ellers meget glatt og jevnt fordelt over nettet lenger bort fra grenseområdet (figur 6d, defekten i bæregitter hjelpemidler for å identifisere karbon nanosheet).

Figur 1
Figur 1: (A) Syntese av den amfifile bestanddel hexayne (3) av den sekvensielle bromering 52,53 og Pd-katalysert forlengelse 30,31 av alkyn-segmentet. Reagenser og betingelser: (i) 1,4-bis (trimetylsilyl) buta-1,3-diyn, MeLi · LiBr, ZnCl2, PdCl2 (dppf) · DCM, THF / toluen, 71%; ii) AGF, NBS, MeCN; deretter 1-trimethylsilyloctadeca-1,3,5-triyn- 7, MeLi · LiBr, ZnCl2, PdCl2 (dppf) · DCM, THF / toluen, 23% over to trinn; (Iii) NaOMe, DCM, MeOH, kvantitativt. (< strong> b) 13C NMR-spekteret av hexayne amfifilen (3) med tolv acetylen karbon resonanser (oransje) og (c) den tilsvarende UV / Vis spekteret. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2: Undersøkelse av hexayne amfifile bestanddel (3) ved grensesnittet luft-vann (a) Overflatetrykkareal isoterm og (b) avsetning av sammenpressbarhet modulus av filmen indikere en direkte overgang fra en gass-analog fase til. en kondensert fase. (C) Et lag komprimeres til 8 mN / m, så vel som (d) 23 mN / m, og utviklingen av overflateområdet overvåkes ved konstant overflatetrykk. om / filer / ftp_upload / 53505 / 53505fig2large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3: Infrarødt refleksjons-absorpsjon (IRRA) spektra av filmen av den amfifile bestanddel hexayne (3) (40 °, p -polarized lys) komprimeres til overflaten trykk mellom 1 mN / m (sort linje) og 8 mN / m (light blå linje). (a) den fulle spektrum med fremstående bånd ved 3.600 og 1.670 cm-1 fra vannet subphase samt topp rundt 2350 cm-1 på grunn av utilstrekkelig karbondioksid kompensasjon. (B) Den spektrale området for de metylen-strekking vibrasjonene, samt (c) de bånd tilsvarende den hexayne del. 05 / 53505fig3large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4: Undersøkelse av karbonisering av en film av det reaktive, karbonrike amfifil 3. (A) IRRA spektra registrert før (blå linje) og etter 40 min (rød linje) av UV bestråling. (B) Den spektrale området for de metylen-strekking vibrasjonene, samt (c) de bånd tilsvarende den hexayne del. (D) Et barrierene er festet til et konstant overflateareal, blir en betydelig økning i overflatetrykket observert under karbonisering. (E) UV / Vis-spektra av bestrålte filmer i forhold til en ikke-karbonisert film av (3) viser en bred og særpreg absorpsjonen ved bølgelengder på opp til 600 nm.om / filer / ftp_upload / 53505 / 53505fig4large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5
Figur 5: Brewster vinkel mikroskopi (BAM) eksperimenter med en film av amfifil 3 ved luft-vann-grenseflaten før og etter karbonisering av UV-bestråling (a) mikrofotografi av et monolag av (3) komprimert til 8 mN / m.. (B) etter UV-bestråling, er en klar endring i strukturen av filmen observert at (c) blir mer homogen etter tillater filmen å ekspandere ved å åpne barrierer. (D) ruptur av karbonisert ark ved manipulering med en nål forlater øyene flyter på luft-vann-grensesnittet. Klikk her for å se et større version av dette tallet.

Figur 6
Figur 6:. Scanning elektronmikroskopi (SEM) av en karbon nanosheet etter Langmuir-Schäfer overføring til en hullete karbon TEM gitter som bærer (a) En delvis dekket gitter avbildes ved en akselererende spenning på 2,0 kV. (B - c) karbon nanosheet blir ugjennomsiktig for elektronstrålen på rundt 0,5 kV. (D) Bort fra kanten, en glatt film jevnt sprer rutenettet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Den ønskede hexayne amfifile bestanddel (3) er oversiktlig stilles ved sekvensiell bromering 52,53 og Pd-katalysert forlengelse 30,31 av alkyn-segmentet, etterfulgt av en endelig avbeskyttelsesreaksjon av tritylphenyl esteren (2) (figur 1a) 29. Den vellykkede syntese er bekreftet ved 13C NMR-spektrum (figur 1b), så vel som UV-Vis-absorpsjonsspektrum (figur 1c) 31,54. Dette demonstrerer den lettvinte art ved hvilken høyere oligoyne homologer kan fremstilles ved den utviklede syntetiske metodikk 30,31. Imidlertid er det viktig å holde følsomheten av oligoyne derivater i tankene, og deres lagring i fortynnede løsninger er tilrådelig for å sikre langtids integritet. Videre bør pene forbindelser håndteres i mørke ved eller under romtemperatur for å unngå enhver for tidlig nedbryting. Dette er av avgjørende betydning forbromotriyne mellomprodukt som fremstilles in situ i syntesen av hexayne ester (2), da denne forbindelse lett dimerizes i fast tilstand 41. Den hexayne amfifile bestanddel (3) er reversibelt danner filmer på grensesnittet luft-vann (figur 2a, b), som gjennomgår suksessive overganger fra en gassfase som er analog til to forskjellige kondenserte faser adskilt av et platå 55. Å følge utviklingen av overflatearealet over tid ved konstant overflatetrykk viste at filmene var stabilt ved trykk under platået (figur 2c, d). Den karbonisering av monolaget ble derfor undersøkt ved et overflatetrykk på 8 mN / m. For å oppnå reproduserbare målinger av overflatetrykkareal isotermen, er en ren Langmuir trau oppsett av største betydning.

IRRA Spectra visnings band for de asymmetriske og symmetriske metylen strekke vibrasjoner på 2919 og 2,849 cm -1 all-trans tilstand (figur 3a, b) 45,51. Båndene ved 2200 og 2171 cm-1 kan tilordnes til C = C strekk vibrasjoner av hexayne delen (figur 3c). Ved UV-bestråling av det selvmonterte monosjikt, disse båndene helt forsvinner, noe som indikerer en praktisk talt fullstendig omdannelse (figur 4a-c). Den metylen strekker vibrasjoner skifte til frekvenser på 2,924 og 2,855 cm-1 (figur 4B), noe som indikerer at dodecyl- kjedene gjennomgå en konformasjonsendring til en væske utvidet, uordnet (gauche) state 45,51. En betydelig økning av flatetrykket skjer gjennom hele karbonisering ved en konstant overflateareal, noe som tyder på en sideveis utvidelse av laget ved karbonisering (figur 4d). Monolayers før og etter karbonisering er så transferred å safir underlag. Forskjellig fra den hexayne (3) i oppløsning, og den ikke-bestrålte monolaget, den UV / Vis spekteret av den karboniserte filmen viste en bred, særpreg absorpsjonen ved bølgelengder på opp til 550 nm, noe som gir bevis for utstrakt karbonisering (figur 4e) . Den optiske band gap på omtrent 2,2 eV indikerer således nærvær av minst nanometer-størrelse domenene til grafittisk karbon, i henhold til studier av redusert graphene oksydmaterialer 56,57.

Brewster vinkelmikrografer av et monolag av den amfifile bestanddel (3) før karbonisering viser en film med ujevnheter eller hulrom som antydet ved de sorte områder (figur 5a). I motsetning bilder av monolaget etter karbonisering viser en mer homogen film med en korrugert struktur (figur 5b), selv etter utvidelse av barrierene i Langmuir trau (figur 5c).De karboniserte filmer kan brytes ved manipulering med en nål, og de ​​brutte øyene forblir svevende i luft-vann-grenseflaten (figur 5d). Dette bekrefter den drastisk øket mekanisk stabilitet av filmene etter karbonisering. Videre SEM mikrografer bekrefter dannelsen av et tynt karbon nanosheet med utvidet sidedimensjonene (figur 6a-d).

Avslutningsvis har vi her presentert en ny metode for å forberede karbon nanosheets basert på selvbygging og påfølgende karbonisering av amfifile hexaynes på luft-vann-grensesnitt. Denne prosessen gir mekanisk stabile funksjon karbon film som bærer likheter til redusert graphene oksid i deres karbonstruktur. De laterale dimensjoner av karbon nanosheets er kun begrenset av området av Langmuir trau og kvadratcentimeter størrelse nanosheet prøver er oversiktlig stilles. Spesielt, oppnår presenterte tilnærming acomplete karbonisering ved værelsestemperatur, som skiller den vesentlig fra andre tilnærminger mot karbon-nanomaterialer som vanligvis baserer seg på prosesstemperaturer over 800 ° C 18,58,59. Følgelig er kjemiske funksjonelle grupper beholdt og en kontroll av overflatekjemi av karbon nanosheets kan oppnås gjennom et omhyggelig valg av de amfifile forløpermolekyler. Vi ser en mengde potensielle søknader fra utarbeidelse av chemoselective substrater for elektron-mikroskopi til beskyttende belegg, nye elektrodematerialer og membraner.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Methyllithium lithium bromide complex (2.2 M solution in diethylether) Acros 18129-1000 air-sensitive, flammable
Zinc chloride (0.7 M 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 (2.5 M 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, 40-60 µm) 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Geim, A. K., Novoselov, K. S. The rise of graphene. Nature Mater. 6 (3), 183-191 (2007).
  2. Lee, C., Wei, X., Kysar, J. W., Hone, J. Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene. Science. 321 (5887), 385-388 (2008).
  3. Lee, J. H., Loya, P. E., Lou, J., Thomas, E. L. Dynamic mechanical behavior of multilayer graphene via supersonic projectile penetration. Science. 346 (6213), 1092-1096 (2014).
  4. Castro Neto, A. H., Guinea, F., Peres, N. M. R., Novoselov, K. S., Geim, A. K. The electronic properties of graphene. Rev. Mod. Phys. 81 (1), 109-162 (2009).
  5. Lau, C. N., Bao, W., Velasco, J. Jr Properties of suspended graphene membranes. Mater. Today. 15 (6), 238-245 (2012).
  6. Ramanathan, T., et al. Functionalized graphene sheets for polymer nanocomposites. Nature Nanotechnol. 3 (6), 327-331 (2008).
  7. Fan, Z., Yan, J., Ning, G., Wei, T., Zhi, L., Wei, F. Porous graphene networks as high performance anode materials for lithium ion batteries. Carbon. 60, 558-561 (2013).
  8. Fiori, G., et al. Electronics based on two-dimensional materials. Nature Nanotechnol. 9 (10), 768-779 (2014).
  9. Burghard, M., Klauk, H., Kern, K. Carbon-Based Field-Effect Transistors for Nanoelectronics. Adv. Mater. 21 (25-26), 2586-2600 (2009).
  10. Avouris, P., Chen, Z., Perebeinos, V. Carbon-based electronics. Nature Nanotechnol. 2 (10), 605-615 (2007).
  11. Zurutuza, A., Marinelli, C. Challenges and opportunities in graphene commercialization. Nature Nanotechnol. 9 (10), 730-734 (2014).
  12. Novoselov, K. S., Fal'ko, V. I., Colombo, L., Gellert, P. R., Schwab, M. G., Kim, K. A roadmap for graphene. Nature. 490 (7419), 192-200 (2013).
  13. Novoselov, K. S., et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science. 306 (5696), 666-669 (2004).
  14. Li, X., et al. Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils. Science. 324 (5932), 1312-1314 (2009).
  15. Sun, Z., Yan, Z., Yao, J., Beitler, E., Zhu, Y., Tour, J. M. Growth of graphene from solid carbon sources. Nature. 468 (7323), 549-552 (2010).
  16. Lee, J. H., et al. Wafer-scale growth of single-crystal monolayer graphene on reusable hydrogen-terminated germanium. Science. 344 (6181), 286-289 (2014).
  17. Scott, L. T., et al. A rational chemical synthesis of C60. Science. 295 (5559), 1500-1503 (2002).
  18. Hoheisel, T. N., Schrettl, S., Szilluweit, R., Frauenrath, H. Nanostructured Carbonaceous Materials from Molecular Precursors. Angew. Chem. Int. Ed. 49 (37), 6496-6515 (2010).
  19. Schrettl, S., Frauenrath, H. Elements for a Rational Polymer Approach towards Carbon Nanostructures. Angew. Chem. Int. Ed. 51 (27), 6569-6571 (2012).
  20. Müllen, K. Evolution of Graphene Molecules: Structural and Functional Complexity as Driving Forces behind Nanoscience. ACS Nano. 8 (7), 6531-6541 (2014).
  21. Chen, L., Hernandez, Y., Feng, X., Müllen, K. From Nanographene and Graphene Nanoribbons to Graphene Sheets: Chemical Synthesis. Angew. Chem. Int. Ed. 51 (31), 7640-7654 (2012).
  22. Paraknowitsch, J. P., Thomas, A. Functional Carbon Materials From Ionic Liquid Precursors. Macromol. Chem. Phys. 213 (10-11), 1132-1145 (2012).
  23. Titirici, M. M., et al. Sustainable carbon materials. Chem. Soc. Rev. 44 (1), 250-290 (2015).
  24. Angelova, P., et al. A universal scheme to convert aromatic molecular monolayers into functional carbon nanomembranes. ACS Nano. 7 (8), 6489-6497 (2013).
  25. Zhi, L., Wu, J., Li, J., Kolb, U., Müllen, K. Carbonization of Disclike Molecules in Porous Alumina Membranes : Toward Carbon Nanotubes with Controlled Graphene-Layer Orientation. Angew. Chem. Int. Ed. 44 (14), 2120-2123 (2005).
  26. Zhi, L., et al. From Well-Defined Carbon-Rich Precursors to Monodisperse Carbon Particles with Hierarchic Structures. Adv. Mater. 19 (14), 1849-1853 (2007).
  27. Matei, D. G., et al. Functional single-layer graphene sheets from aromatic monolayers. Adv. Mater. 25 (30), 4146-4151 (2013).
  28. Szilluweit, R., et al. Low-temperature preparation of tailored carbon nanostructures in water. Nano Lett. 12 (5), 2573-2578 (2012).
  29. Schrettl, S., et al. Functional carbon nanosheets prepared from hexayne amphiphile monolayers at room temperature. Nature Chem. 6 (6), 468-476 (2014).
  30. Hoheisel, T. N., Frauenrath, H. A Convenient Negishi Protocol for the Synthesis of Glycosylated Oligo(ethynylene)s. Org. Lett. 10 (20), 4525-4528 (2008).
  31. Schrettl, S., et al. Facile synthesis of oligoyne amphiphiles and their rotaxanes. Chem. Sci. 6 (1), 564-574 (2015).
  32. Sakamoto, J., van Heijst, J., Lukin, O., Schlüter, A. D. Two-Dimensional Polymers: Just a Dream of Synthetic Chemists? Angew. Chem. Int. Ed. 48 (6), 1030-1069 (2009).
  33. Bauer, T., et al. Synthesis of Free-Standing, Monolayered Organometallic Sheets at the Air/Water Interface. Angew. Chem. Int. Ed. 50 (34), 7879-7884 (2011).
  34. Payamyar, P., et al. Synthesis of a Covalent Monolayer Sheet by Photochemical Anthracene Dimerization at the Air/Water Interface and its Mechanical Characterization by AFM Indentation. Adv. Mater. 26 (13), 2052-2058 (2014).
  35. Zheng, Z., et al. Synthesis of Two-Dimensional Analogues of Copolymers by Site-to-Site Transmetalation of Organometallic Monolayer Sheets. J. Am. Chem. Soc. 136 (16), 6103-6110 (2014).
  36. Sakamoto, R., et al. A photofunctional bottom-up bis(dipyrrinato)zinc(II) complex nanosheet. Nature Commun. 6, 6713 (2015).
  37. van Heijst, J., Corda, M., Lukin, O. Compounds bearing multiple photoreactive chalcone units: Synthesis and study towards 2D polymerization in Langmuir monolayers. Polymer. 70, 1-7 (2015).
  38. Murray, D. J., et al. Large area synthesis of a nanoporous two-dimensional polymer at the air/water interface. J. Am. Chem. Soc. 137 (10), 3450-3453 (2015).
  39. Li, J. J., Limberakis, C., Pflum, D. A. Modern Organic Synthesis in the Laboratory. , Oxford University Press. New York, NY, USA. (2007).
  40. Chai, C., Armarego, W. L. F. Purification of Laboratory Chemicals. , Elsevier Butterworth-Heinemann. Burlington, MA, USA. (2003).
  41. Hoheisel, T. N., et al. A multistep single-crystal-to-single-crystal bromodiacetylene dimerization. Nature Chem. 5 (4), 327-334 (2013).
  42. Brzozowska, A. M., Duits, M. H. G., Mugele, F. Stability of stearic acid monolayers on Artificial Sea Water. Colloids Surf., A. 407, 38-48 (2012).
  43. Davies, J. T., Rideal, E. K. Interfacial Phenomena. , Academic Press. New York, NY, USA. (1963).
  44. Mendelsohn, R., Flach, C. R. Infrared Reflection-Absorption Spectrometry of Monolayer Films at the Air-Water Interface. Handbook of Vibrational Spectroscopy. , J. Wiley. Sons: Chichester, UK. 1028-1041 (2002).
  45. Mendelsohn, R., Mao, G., Flach, C. R. Infrared reflection-absorption spectroscopy: Principles and applications to lipid-protein interaction in Langmuir films. Biochim. Biophys. Acta Biomembr. 1798 (4), 788-800 (2010).
  46. Hoenig, D., Moebius, D. Direct visualization of monolayers at the air-water interface by Brewster angle microscopy. J. Phys. Chem. 95 (12), 4590-4592 (1991).
  47. Hénon, S., Meunier, J. Microscope at the Brewster angle: Direct observation of first-order phase transitions in monolayers. Rev. Sci. Instrum. 62 (4), 936-939 (1991).
  48. Kirby, K. W., Shanmugasundaram, K., Bojan, V., Ruzyllo, J. Interactions of Sapphire Surfaces with Standard Cleaning Solutions. ECS Trans. 11 (2), 343-349 (2007).
  49. Blodgett, K. B. Films Built by Depositing Successive Monomolecular Layers on a Solid Surface. J. Am. Chem. Soc. 57 (6), 1007-1022 (1935).
  50. Langmuir, I., Schaefer, V. J. Activities of Urease and Pepsin Monolayers. J. Am. Chem. Soc. 60 (6), 1351-1360 (1938).
  51. Mendelsohn, R., Brauner, J. W., Gericke, A. External infrared reflection absorption spectrometry of monolayer films at the air-water interface. Annu. Rev. Phys. Chem. 46 (1), 305-334 (1995).
  52. Hofmeister, H., Annen, K., Laurent, H., Wiechert, R. A Novel Entry to 17a-Bromo- and 17a-Iodoethynyl Steroids. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 23 (9), 727-729 (1984).
  53. Kim, S., Kim, S., Lee, T., Ko, H., Kim, D. A New, Iterative Strategy for the Synthesis of Unsymmetrical Polyynes: Application to the Total Synthesis of 15,16-Dihydrominquartynoic Acid. Org. Lett. 6 (20), 3601-3604 (2004).
  54. Chalifoux, W. A., Tykwinski, R. R. Synthesis of polyynes to model the sp-carbon allotrope carbyne. Nature Chem. 2 (11), 967-971 (2010).
  55. Kaganer, V. M., Möhwald, H., Dutta, P. Structure and phase transitions in Langmuir monolayers. Rev. Mod. Phys. 71 (3), 779-819 (1999).
  56. Eda, G., et al. Blue photoluminescence from chemically derived graphene oxide. Adv. Mater. 22 (4), 505-509 (2010).
  57. Kumar, P. V., Bardhan, N. M., Tongay, S., Wu, J., Belcher, A. M., Grossman, J. C. Scalable enhancement of graphene oxide properties by thermally driven phase transformation. Nature Chem. 6 (2), 151-158 (2014).
  58. Chernick, E. T., Tykwinski, R. R. Carbon-rich nanostructures: the conversion of acetylenes into materials. J. Phys. Org. Chem. 26 (9), 742-749 (2013).
  59. Rondeau-Gagné, S., Morin, J. F. Preparation of carbon nanomaterials from molecular precursors. Chem. Soc. Rev. 43 (1), 85-98 (2014).

Tags

Kjemi oligoynes amfifiler selv montert monolagene luft-vann-grensesnitt romtemperatur karbo nanosheets karbon nanostrukturer
Utarbeidelse av Carbon Nanosheets ved romtemperatur
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Schrettl, S., Schulte, B., Stefaniu, … More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter