Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Udarbejdelse af Carbon Nanosheets ved stuetemperatur

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

Todimensionale carbon nanostrukturer tiltrække betydelig opmærksomhed på grund af de rapporterede fremragende elektriske, termiske, samt mekaniske egenskaber 1-5. Disse materialer forventes at fremme den tekniske udvikling inden for polymer kompositmaterialer 6, energi lagringsenheder 7 og molekylær elektronik 8-10. Trods intensiv forskning i de seneste år, men adgang til større mængder af veldefinerede kulstof nanomaterialer er stadig begrænset, hvilket vanskeliggør gennemførelsen storstilet i teknologiske anvendelser 11,12.

Carbon nanomaterialer er tilgængelige med top-down eller bottom-up tilgange. Typiske tilgange såsom eksfoliering teknikker 13 eller højenergi-processer på overflader 14-16 giver mulighed for at få materialer med en høj grad af strukturel perfektion og meget gode resultater. Imidlertid er isolering og oprensning af the produkter er fortsat udfordrende, og produktionen storstilet af definerede nanostrukturerede materialer er vanskelig 12. På den anden side kan bottom-up-tilgange anvendes, som er afhængige af anvendelsen af molekylære forstadier, deres arrangement i definerede strukturer, og en efterfølgende forkoksning, der giver kulstof nanostrukturer 17-23. I dette tilfælde precursorerne selv er mere komplekse og deres fremstilling kræver ofte multiple syntetiske trin. Disse fremgangsmåder kan tilbyde en høj grad af kontrol over de kemiske og fysiske egenskaber af de resulterende materialer og kan stille en direkte adgang til skræddersyede materialer. Imidlertid er omdannelsen af precursorerne til carbonfibre nanomaterialer typisk ved temperaturer over 800 ° C, hvilket fører til et tab af den indlejrede kemisk funktionalisering 24-27.

De ovenfor nævnte begrænsninger er blevet behandlet i vores gruppe ved at ansætte meget reaktive oligoynes at CAn konverteres til kulstof nanomaterialer ved stuetemperatur 28,29. Især amfifiler omfatter en hydrofil hovedgruppe og en hexayne segment er tilgængelige gennem en sekvens af bromering og palladium-medieret Negishi krydskoblingsreaktioner 30,31. Omdannelsen af ​​disse precursor molekyler til målstrukturen forekommer ved eller under stuetemperatur ved bestråling med UV-lys. Den høje reaktivitet af oligoyne amfifiler gør brugen af ​​bløde skabeloner, såsom luft-vand grænsefladen eller fluid-væske-grænseflader, mulig. I tidligere undersøgelser, vi med succes forberedt vesikler fra opløsninger af hexayne glycosid amfifiler 28. Tværbinding af disse vesikler blev opnået under milde betingelser ved UV-bestråling af prøverne. Desuden har vi for nylig fremstillet selv-samlede monolag fra hexaynes med et methylcarboxylatdelen hovedgruppe og en hydrofob alkyl- hale ved luft-vand-grænsefladen i en Langmuir truget. Den tætte pakninged molekylære forstadier blev derefter ligefrem omdannet til selvbærende kulstof nanosheets ved stuetemperatur ved UV-bestråling. I relaterede tilgange definerede molekylære forstadier nylig har været anvendt til fremstilling af to-dimensionelt udvidede nanosheets ved luft-vand grænsefladen 32-38.

Målet med dette arbejde er at give en kortfattet, praktisk overblik over de samlede syntese og fabrikation skridt der giver mulighed for udarbejdelse af kulstof nanosheets fra hexayne amfifiler. Fokus er på den eksperimentelle tilgang og præparative spørgsmål.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Forsigtig: Sørg for at høre de relevante materialer sikkerhedsdatablade (MSDS), før brug af kemiske forbindelser. Nogle af de kemikalier, der anvendes i disse synteser er akut giftige og kræftfremkaldende. Tilberedte nanomaterialer kan have yderligere farer i forhold til deres bulk-modstykke. Det er bydende nødvendigt at bruge alle passende sikkerhedsforanstaltninger, når du udfører reaktioner (stinkskab) og personlige værnemidler (sikkerhedsbriller, handsker, lab coat, fuld længde bukser, lukkede-toe sko). Hvis ikke andet er anført følgende procedurer involverer standard Schlenkteknikker 39.

1. Forberedelse af Molekylær Precursor 29,31

  1. Syntese af 4-tritylphenyl 10 (trimethylsilyl) deca-5,7,9-triynoate (1)
    Bemærk: De nødvendige forbindelser til efterfølgende beskrevne syntetiske trin kan ligefrem forberedt efter publicerede litteratur procedurer 29,31. Tyndt lag chromatography (TLC) samt søjlekromatografi udføres ifølge standard laboratorieprocedurer 39,40.
    1. Opløs 1,4-bistrimethylsilylbutadiene (7,82 g, 40,3 mmol) i tør tetrahydrofuran (THF, 50 ml) i en inert atmosfære i et Schlenk-rør udstyret med en skillevæg. Omrør blandingen og afkøl den til en temperatur på 0 ° C ved nedsænkning af kolben i et isbad.
    2. Tilsæt langsomt methyllithium lithiumbromid-kompleks (17,9 ml, 2,2 M i Et2O, 39,3 mmol) til denne opløsning via en sprøjte. Fjern kølebadet og lad blandingen varme op til stuetemperatur og forlade omrøring i 30 minutter.
    3. Nedsænkes Schlenk-rør i et isbad, og opløsningen afkøles til en temperatur på 0 ° C. Tilsæt langsomt en opløsning af zinkchlorid (57,5 ml, 0,7 M i THF, 40,24 mmol) til den omrørte opløsning. Fjern kølebadet, lad opløsningen at varme op til stuetemperatur, og blandingen omrøres i yderligere 30 minutter.
    4. I en Schlenk-kolbe, Disperse palladiumkatalysatoren PdCl2 (dppf) DCM (1,60 g, 1,96 mmol) i tør toluen (300 ml) i en inert atmosfære, og der tilsættes 4-tritylphenyl 6-bromohex-5-ynoat (10,0 g, 19,63 mmol). Afkøl blandingen til en temperatur på 0 ° C ved nedsænkning af Schlenk-kolben i et isbad.
    5. Overfør opløsningen i Schlenk-rør indeholdende zink acetylid til Schlenk-kolbe indeholdende bromoacetylene derivatet og palladiumkatalysatoren ved anvendelse af en overførsel kanyle. Lad blandingen omrøring og overvåge reaktionen ved TLC 39. Overvej reaktionen fuldstændig efter TLC (DCM / n-heptan 2: 1; farvning med p-anisaldehyd opløsning 39) viser, at bromoacetylene derivat (Rf: 0,64) er forbrugt (efter ca. 16 timer).
    6. Fortynd reaktionsblandingen med diethylether (Et2O) (300 ml), som overføres til en skilletragt. Vask den organiske fase tre gange med Saturated ammoniumchloridopløsning (300 ml) og en gang med mættet natriumchloridopløsning (300 ml).
    7. Overfør den organiske fase fra skilletragten til en Erlenmeyer-kolbe, og tør den organiske fase over natriumsulfat (100 g). Fjern natriumsulfat ved filtrering og koncentrer den organiske fase i vakuum.
    8. Rens råproduktet ved søjlekromatografi 40 (silicagel; dichlormethan / n-heptan 1: 1) for at opnå det ønskede produkt 1 (Rf: 0,33; 7,7 g, 71%) som et lysebrunt fast stof. Kontroller renheden af (1) med en H og 13C {1H} NMR spektroskopi 29.
  2. Syntese af 4-tritylphenyl octacosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate (2)
    Bemærk: Syntesen af ​​4-tritylphenyl octacosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate 2 udføres over to trin startende fra 4-tritylphenyl 10 (trimethylsilyl) deca-5,7,9-triynoate grund den observerede lav stabilitet af mellemproduktet triyne bromide 41.
    1. Opløs 4-tritylphenyl 10- (trimethylsilyl) deca-5,7,9-triynoate 1 (2,00 g, 3,63 mmol) i tør dichlormethan (DCM, 15 ml) i en inert atmosfære i en 100 ml Schlenk-kolbe udstyret med en skillevæg. Efter opløsning af forbindelsen tilsættes tør acetonitril (MeCN, 15 ml).
    2. Skjold Schlenk kolben mod lys med aluminiumfolie og tilføje V-bromsuccinimid (679 mg, 3,81 mmol) samt sølvfluorid (484 mg, 3,81 mmol). Omrør den resulterende blanding i 8 timer ved stuetemperatur og overvåge reaktionens forløb ved TLC. Overvej reaktionen fuldstændig efter TLC (DCM / n-heptan 1: 1; påvisning med p-anisaldehyd opløsning 39 som farvestoffet) indikerer, at udgangsmaterialet (1) (Rf: 0,33) er forbrugt (efter ca. 3 timer) .
    3. Fortynd reaktionsblandingen med DCM (30 ml) og overføres til en skilletragt. Vask den organiskefase seks gange med en 1 M vandig hydrogenchloridopløsning (60 ml) og en gang med en mættet vandig natriumchloridopløsning (60 ml).
    4. Overfør den organiske fase fra skilletragten til en Erlenmeyer-kolbe, og tør den organiske fase over natriumsulfat (50 g). Filtrer den organiske fase, og filtratet koncentreres i vakuum til ca. 10 ml, mens grundigt afskærmning mod lys.
    5. Tilføj tør toluen (20 ml) og koncentreres blandingen igen i vakuum til et volumen på ca. 5 ml.
    6. Opløs 1-trimethylsilyloctadeca-1,3,5-triyne (2,28 g, 7,26 mmol) i tør THF (20 ml) i en inert atmosfære i en 100 ml Schlenk-rør udstyret med en gummiskillevæg. Opløsningen afkøles til en temperatur på 0 ° C ved nedsænkning af Schlenk-rør i et isbad.
    7. Tilsæt langsomt methyllithium lithiumbromid-kompleks (3,22 ml, 2,2 M i Et2O, 7,08 mmol) og holde temperaturen af blandingen ved0 ° C i 45 minutter.
    8. Til denne blanding tilsættes langsomt en opløsning af zinkchlorid (10,37 ml, 0,7 M i THF, 7,26 mmol). Efter at tilsætningen er afsluttet, omrøres den resulterende blanding i yderligere 45 min.
    9. Parallelt hermed dispergere palladiumkatalysator PdCl2 (dppf) DCM (296 mg, 0,36 mmol) i tør toluen (100 ml) i en inert atmosfære i en 500 ml Schlenk-kolbe udstyret med en gummiskillevæg. Afkøl blandingen til en temperatur på 0 ° C ved nedsænkning af kolben i et isbad.
    10. Tilsæt langsomt n-butyllithium (0,29 ml, 2,5 M i n-hexan, 0,73 mmol) til dispersionen af palladiumkatalysator i tør toluen. Isbadet fjernes efter fuldstændig tilsætning omrøres blandingen i 10 minutter ved stuetemperatur, og derefter afkøles den til en temperatur på 0 ° C.
    11. Tilsæt koncentreret toluenopløsning indeholdende den 4-tritylphenyl 10-bromodeca-5,7,9-triynoate (10 ml, 3,63 mmol) via en sprøjte samtidigt med zink acetylid sålution (se ovenfor), som tilsættes via en overførsel kanyle fra Schlenk-rør. Shield kolben med reaktionsblandingen mod lys med aluminiumsfolie.
    12. Overvåge udviklingen af reaktionen ved TLC (DCM / n-heptan 1: 1; påvisning med p-anisaldehyd opløsning 39 som farvestoffet). Efter fuldstændigt forbrug af 4-tritylphenyl 10-bromodeca-5,7,9 triynoate (Rf: 0,34; efter ca. 48 timer), fortyndes blandingen med Et2O (100 ml) og overføres til en skilletragt. Den organiske fase vaskes tre gange med en mættet vandig ammoniumchloridopløsning (200 ml) og en gang med en mættet vandig natriumchloridopløsning (200 ml).
    13. Overfør den organiske fase til en Erlenmeyer-kolbe og tørres over natriumsulfat (80 g). Filtrer den organiske fase, og filtratet koncentreres i vakuum.
    14. Rens råproduktet ved søjlekromatografi 40 (silica gel; DCM / n-heptan 1: 1) for at isolere 4-tritylphenyl octacosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate (2) (Rf: 0,43; 0,60 g, 23%) som et brunt faststof. Kontrol af, (2) ved 1H og 13C {1H} NMR spektroskopi 29.
  3. Syntese af methyl octacosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate (3)
    1. Opløs 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 der tilsættes methanol ( 10 ml).
    2. Shield kolben mod lys med aluminiumsfolie, og der tilsættes natriummethanolat (31 mg, 0,578 mmol).
    3. Omrør den resulterende blanding i 30 minutter ved stuetemperatur. Derefter fortyndes med DCM (15 ml), overføres til en skilletragt, vaskes en gang med en 1 M vandig hydrogenchloridopløsning (30 ml), og en gang med mættet, vandig natriumchloridopløsning (30 ml).
    4. Overfør den organiske fase i en Erlenmeyerkolbe og tør den over natriumsulfat (30 g). Filtrer den organiske fase, og filtratet koncentreres i vakuum.
    5. Rens råproduktet ved søjlekromatografi 40 (silicagel; DCM / n-pentan 1: 1) for at isolere methyl octacosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate (3) (Rf: 0,62) som en gul opløsning. Opbevar produktet af denne reaktion som en fortyndet DCM-opløsning (10 ml) for at minimere enhver sønderdeling.
    6. Overfør ca. 3 ml af stamopløsningen til en brun glas rundbundet kolbe og tilsættes CDC 3 (5 ml). Koncentrer opløsningen til ca. 1 ml i vakuum, tilsættes CDCI3 (5 ml), og opkoncentrer opløsningen til ca. 1 ml i vakuum. Udfør 1H og 13C {1H} NMR-spektroskopi med denne løsning til at kontrollere renheden af (3) 29.
  4. Frysetørring afMethyl Ester og Udarbejdelse af en stamopløsning
    1. Der fremstilles en stamopløsning af defineret koncentration (c = 1 mM) til forsøg på luft-vand-grænsefladen. Overfør en brøkdel af den fortyndede opløsning af methyl octacosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate i DCM til et tareret 50 ml brunt glas rundbundet kolbe og koncentreres opløsningen til ca. 1 ml i vakuum.
    2. Kolben forbindes til et vakuum linje og kolben i flydende nitrogen fordybe for at fryse den koncentrerede opløsning. Efter at blandingen er fuldstændig størknet, anvende vakuum (ca. 5 x 10 -3 mbar) til kolben, og kolben fjernes fra den flydende nitrogen.
    3. Efter fuldstændig fjernelse af resterende opløsningsmiddel, vejer kolben mens afskærmning mod lys. Der fremstilles en stamopløsning af defineret koncentration c = 1 mM ved tilsætning af den passende mængde chloroform. Shield stamopløsningen fra lys og opbevare det ved en temperatur på -15 ° C.

    2. Film Dannelse af Hexayne amfifile på Air-vand grænseflade

    Bemærk: Alle forsøg på luft-vand grænsefladen udføres med computer-interface polytetrafluorethylen Langmuir trug med et (eller to) barrierer. Trugene er udstyret med en fladetryk mikrovægt med et filtrerpapir Wilhelmy plade. En ekstern termostat anvendes til at opretholde temperaturen af ​​ultrarent vand underfase ved 20 ° C. Langmuir trug anbringes i en forseglet kasse for at undgå forurening af grænsefladen. Før målingerne foretages, renheden af ​​nøgne overflade kontrolleres ved kompression. Alle brugte eksperimentelle Langmuir opsætninger kalibreres før brug ved anvendelse af en to-punkts kalibrering metode: den nøgne vandoverfladen til 0 mN / m og den anden ordens overgang fra en vippet til en ikke-vippet tilstand af stearinsyre 42, det er ikke følsom over for temperaturændringer i den brugte Temperature interval. Dette sikrer pålidelige og sammenlignelige målinger.

    1. Måling af Surface Pressure-område Isotherm og Fastlæggelse af kompressibilitet Modulus
      1. Brug en sprøjte til forsigtigt at 100 pi af fortyndet stamopløsning af (3) i DCM / chloroform (c = 1 mmol / l) på overfladen af ultrarent vand i et Langmuir truget.
      2. Lad Langmuir trough at ækvilibrere i 15 min lade opløsningsmidlet afdampe.
      3. Komprimere lag med en konstant kompression på 5 Å / (molekyle X min) ved at reducere overfladearealet af Langmuir trug med barriererne. Samtidig måler fladetrykket med overfladen tryk mikrovægt udstyret med et filtrerpapir Wilhelmy plade. Fortsæt komprimeringen af ​​laget, indtil en dråbe i fladetrykket angiver sammenbruddet af filmen.
      4. Gentag overfladen pres-området Isotherm målinger som beskrevet i 2.1.1-2.1.3 to gangemed en ren Langmuir trug at sikre reproducerbarheden af ​​resultaterne.
      5. Bestem sammentrykkelighed modulus fra isotermen af laget efter følgende forhold 43
        C s-1 = - A (∂ Π / ∂ A) T
        hvor A er det gennemsnitlige molekylære område og Π fladetrykket.
    2. Undersøgelse af stabilitets- af laget under og over Plateau i Isotherm
      1. Spred en alikvot på 100 pi af den fortyndede stamopløsning af (3) på ultrarent vand i et Langmuir truget.
      2. Lad Langmuir trough at ækvilibrere i 15 min lade opløsningsmidlet afdampe.
      3. Komprimere laget til en overflade tryk på 8 mN / m med en konstant kompression på 5 Å / (molekyle X min) ved at reducere overfladearealet af Langmuir trug med barriererne. Fortsæt komprimeringen af ​​laget, indtil den målte suransigt tryk når 8 mN / m og indstille de barrierer, så at denne overflade tryk holdes på en konstant værdi.
      4. Overvåge udviklingen af ​​overfladearealet som de barrierer af Langmuir trough justere i løbet af 45 min for at opretholde en konstant fladetryk på 8 mN / m.
      5. Komprimere laget til en fladetryk på 23 mN / m med en konstant kompression på 5 Å / (molekyle X min) ved yderligere at reducere overfladearealet af Langmuir trug med barriererne. Indstil barriererne, således at overfladetrykket holdes konstant ved 23 mN / m.
      6. Overvåge udviklingen af ​​overfladearealet som de barrierer af Langmuir trough justere i løbet af 45 min for at opretholde en konstant fladetryk på 23 mN / m.
    3. Karakterisering af Layer af Infrared Reflection-absorption spektroskopi
      Bemærk: For at optage infrarøde (IR) spektre, en FT-IR spektrometer udstyret med en flydende nitrogen-afkølet kviksølv cadmiumtellurid (MCT) detektor er ansat, og sidstnævnte er fastgjort til en ekstern luft / vand refleksion enhed. Den infrarøde stråle føres ud af spektrometeret og fokuseres på ultrarent vand overflade af termostateret Langmuir truget. Lyset af p -polarization ved en indfaldsvinkel nedenfor (40 °) Brewster-vinklen, blev anvendt til målingerne. Langmuir trug til IR målinger består af to rum: i det ene rum, prøven monolag systemet spredes, mens det andet rum indeholder ultrarent vand underfase som reference. En computerstyret shuttle system bruges til at flytte truget, således at begge prøven eller referencen rummet lyser. For at eliminere vanddamp signal fra spektrene, beregne refleksion-absorptionsspektret ifølge log (R / R 0), med den single-beam reflektans spektrum fra referencen rum (R 0) som en baggrund for single-beam reflektans spektrumaf monolaget (R) fra prøverummet. Oprethold vanddamptrykket konstant ved at placere hele forsøgsopstillingen i en hermetisk forseglet kasse. I alle eksperimenter, bruge en opløsning og scanner hastighed på 8 cm -1 og 20 kHz, hhv. Brug en wire grid polarisator at polarisere den indfaldende infrarøde stråle. Co-tilføje spektrene med p -polarized lys over 400 scanninger. Udfør en baseline-korrektion for at muliggøre en sammenligning af spektrene.
      1. Spred en alikvot på 100 pi af den fortyndede stamopløsning af (3) på ultrarent vand i et Langmuir trug omfatter en infrarød refleksion-absorption (IRRA) spektroskopi setup.
      2. Lad Langmuir trough at ækvilibrere i 15 min lade opløsningsmidlet afdampe.
      3. Komprimere laget til en overflade tryk på 1 mN / m med en konstant kompression på 5 Å / (molekyle X min) ved at reducere overfladearealet af Langmuir trug med barriererne. Overvåg overfladen præssure ved hjælp af fladetryk mikrovægt med filtrerpapir Wilhelmy plade og indstille de barrierer af Langmuir truget, således at et fladetryk på 1 mN / m opretholdes.
      4. Optage et IR-spektrum med p -polarized lys ved en indfaldsvinkel på 40 ° 44,45.
      5. Komprimere laget ved en konstant kompression på 5 Å / (molekyle X min) ved yderligere at reducere overfladearealet af Langmuir truget med de barrierer, så denne overflade tryk på 3 og derefter 5, og endelig 8 mN / m opnås som angivet af fladetrykket mikrovægt. Optag spektre med p -polarized lys ved en indfaldsvinkel på 40 ° i hver af disse overfladetryk samtidig holde sidstnævnte konstant 44,45.

    3. forkulning af en Hexayne amphiphil monolag ved stuetemperatur

    Bemærk: Alle eksperimenter ved luft-vand-grænsefladen udføres som beskrevet ovenfor. UV irradiation udføres under anvendelse af en 250 W gallium-doteret metal halogenid UV-lampe (UV-Light Technology, Birmingham, England). For carbonizations af film på luft-vand grænsefladen, er boksen omslutter Langmuir trug omhyggeligt fjernet eller åbnet på siden, og lampen er placeret 50 cm fra vandoverfladen samtidig sikre, at luft-vand-grænsefladen er dækket i kegle af UV-lys. Under belysningen, er temperaturen af ​​underfase holdt ved 20 ° C under anvendelse termostaten af ​​Langmuir truget. Alle carboniseringscykler eksperimenter udføres ved en overflade tryk på 8 mN / m. Ved dette tryk en stram pakning af amfifiler er sikret, mens på samme tid monolaget viser en høj stabilitet.

    1. Undersøgelse af forkulning af IRRA Spektroskopi og Isotherm Måling
      Bemærk: IRRA spektre registreres som beskrevet ovenfor 44,45.
      1. Spred en alikvot på 100 pi af den fortyndede stamopløsning af (3) på ultrarent vand iLangmuir trug, der omfatter en infrarød refleksion-absorption spektroskopi (IRRA) setup.
      2. Lad Langmuir trough at ækvilibrere i 15 min lade opløsningsmidlet afdampe.
      3. Komprimere laget ved en konstant kompression på 5 Å / (molekyle X min) ved at reducere overfladearealet af Langmuir truget med de barrierer, så at der opnås en overflade tryk på 8 mN / m som målt ved overfladen tryk mikrovægt udstyret med et filtrerpapir Wilhelmy plade. Sæt de barrierer af Langmuir truget, således at et fladetryk på 8 mN / m opretholdes.
      4. Optage et IR-spektrum med p -polarized lys ved en indfaldsvinkel på 40 ° 44,45.
      5. Fjern forsigtigt kassen omslutter Langmuir truget. Monter UV-lampe til en understøtning stativ og placere den ca. 50 cm væk fra vandoverfladen og samtidig sikre, at grænsefladen er dækket i kogler af UV-lyset.
      6. Efter bekræftelse af, at monolaget stadigkomprimeret ved et fladetryk på 8 mN / m målt ved fladetryk mikrovægt, angive de barrierer af Langmuir trug, så de er fastsat til den aktuelle position.
      7. Udsætte luft-vand-grænsefladen for UV-lys. Stoppe bestrålingen ved at dreje lampen ud efter i alt 40 minutter af bestråling. Overvåge og registrere ændringen af ​​fladetrykket ved fladetryk mikrovægt udstyret med et filtrerpapir Wilhelmy plade under hele bestrålingen.
      8. Omslutte Langmuir truget i den forseglede kasse for at undgå en kontaminering af grænsefladen. Lad opsætningen i ligevægt i 30 min. Sæt de barrierer af Langmuir truget for at opretholde overfladen pres observeret af fladetryk mikrovægt efter bestråling.
      9. Optage et IR-spektrum med p -polarized lys ved en indfaldsvinkel på 40 ° 44,45.
    2. Undersøgelse af de forkullede film efter Brewster Angle mikroskopety
      Bemærk: Brewster vinklen mikroskopi udføres (BAM) eksperimenter på en specialfremstillet computer-interface Langmuir trug kombineret med en Brewster vinklen mikroskop som beskrevet andetsteds 46,47. Fladetrykket isotermer kontinuerligt måles gennem hele forløbet af de mikroskopi eksperimenter. Den laterale opløsning er ca. 4 um med den anvendte opsætning. Enkel billedbehandling software bruges til at forbedre kontrasten af ​​mikrografier.
      1. Spred en alikvot på 100 pi af den fortyndede stamopløsning af (3) på ultrarent vand i Langmuir trug på linie med Brewster-vinklen mikroskop.
      2. Lad Langmuir trough at ækvilibrere i 15 min, lade opløsningsmidlet afdampe.
      3. Komprimere laget til en overflade tryk på 8 mN / m med en konstant kompression på 5 Å / (molekyle X min) ved at reducere overfladearealet af Langmuir trug med barriererne. Overvåg overfladen tryk ved hjælp af overfladen pressikker mikrovægt udstyret med et filtrerpapir Wilhelmy plade og indstille de barrierer af Langmuir truget, således at et fladetryk på 8 mN / m opretholdes.
      4. Optag BAM mikrografier på dette fladetrykket 46,47.
      5. Åbn forsigtigt boksen omslutter Langmuir truget. Monter UV-lampe til en understøtning stativ og placere den ca. 50 cm væk fra vandoverfladen og samtidig sikre, at grænsefladen er dækket i kogler af UV-lyset.
      6. Kontroller, at monolaget stadig komprimeres ved et fladetryk på 8 mN / m og fastsætte placeringen af ​​de barrierer af Langmuir truget.
      7. Udsætte luft-vand-grænsefladen for UV-lys. Stoppe bestrålingen ved at dreje lampen ud efter i alt 40 min. Overvåge og registrere ændringen af ​​fladetrykket under hele bestrålingen.
      8. Optag BAM mikrografier efter bestråling 46,47.
      9. Brug en nål til at manipulere carbon nanosheet ved luft-vand-grænsefladen,og bruge BAM til at overvåge bevægelsen af ​​carbon nanosheet. Påføring af tryk til carbon nanosheet fører til et brud af pladen.
      10. Optag BAM mikrografier af den opbrudte ark 46,47.
    3. Langmuir-Blodgett Overførsel af en Uncarbonized Layer og en Carbon Nanosheet fra Air-vand grænseflade til et fast substrat
      Bemærk: safir (Al 2 O 3) substrater rengøres før overførsel af en basisk Piranha behandling og lagres i ultrarent vand før brug 48. En pincet bundet til en mekanisk arm er placeret vertikalt over en Langmuir trug med en passende dyb hulrum til Langmuir-Blodgett (LB) overførsel af lag fra luft-vand-grænsefladen 49. Hvis overførslen af ​​et ikke-carboniseret samt en forkullede prøve er beregnet inden for samme eksperiment, som beskrevet her, to par pincet behøver at være knyttet til den mekaniske arm i forskellige højder, så man substrat cen fjernes, mens den anden substrat forbliver nedsænket i underfase. Den Langmuir-Schäfer (LS) overførsel blev udført manuelt med vandudtryk kulstof transmissions elektron mikroskopi (TEM) net som en støtte 50.
      1. Installer to safir substrater med de to par pincet, fordybe substrater i underfase og grundigt rene luft-vand grænsefladen før sprede.
      2. spredes omhyggeligt en alikvot på 100 pi af den fortyndede stamopløsning af (3) i DCM / chloroform på ultrarent vand i Langmuir truget.
      3. Lad Langmuir trough at ækvilibrere i 15 min lade opløsningsmidlet afdampe.
      4. Komprimere laget til en overflade tryk på 8 mN / m med en konstant kompression på 5 Å / (molekyle X min) ved at reducere overfladearealet af Langmuir trug med barriererne. Overvåg overfladen tryk ved hjælp af fladetrykket mikrovægt udstyret med et filtrerpapir Wilhelmy plade og indstille barriererLangmuir truget, således at et fladetryk på 8 mN / m opretholdes.
      5. For at kunne overføre det ikke-forkullede monolag til en safir substrat, vedligeholde monolaget ved en overflade tryk på 8 mN / m som angivet ved fladetryk mikrovægt og træk den mekaniske arm op med en hastighed på 1,2 mm / min, indtil den første substrat helt fjernet fra underfase. Det andet substrat skal forblive nedsænket i underfase.
      6. hente forsigtigt første substrat bærer ikke-forkullede lag fra pincet, gemme den under beskyttelse mod lys og beskæftiger det til den påtænkte anvendelse, når det er nødvendigt.
      7. Åbn forsigtigt boksen omslutter Langmuir truget. Monter UV-lampe til en støtte stativ og placere den ca 50 cm væk fra vandoverfladen, og samtidig sikre, at grænsefladen er dækket i kegle af UV-lyset.
      8. Sørg for, at monolag stadig er komprimeret ved et fladetryk på 8 mN / m og løse position af barriererne.
      9. Udsætte luft-vand-grænsefladen for UV-lys. Stoppe bestrålingen ved at dreje lampen ud efter i alt 40 minutter af bestråling. Overvåge og registrere ændringen af ​​fladetrykket som målt ved fladetryk mikrovægt under hele bestrålingen.
      10. For at kunne overføre de forkullede film til en safirsubstrat, indstille de barrierer af Langmuir truget, så at fladetrykket målt efter bestråling opretholdes. Samtidig holde fladetryk konstant ved de barrierer af Langmuir trough, trække den mekaniske arm holder substratet fra grænsefladen ved en hastighed på 1,2 mm / min, indtil substratet er fuldstændigt fjernet fra underfase.
      11. hente omhyggeligt substratet, som bærer det forkullede lag fra pincet.
      12. Hold en Holey kulstof TEM gitter med en pincet og udføre en manuel LS overførsel af forkullede lag fra luft-vand grænsefladen 50. Lad than prøve langsomt tør i en forsigtig strøm af nitrogen og udføre scanning elektronmikroskopi (SEM) billeddannelse.
      13. Optag UV / Vis absorptionsspektre af de ikke-forkullede lag og carbon nanosheet på en UV / Vis spektrometer ved en scanningshastighed på 400 nm per minut. Brug en tom safir substrat som reference.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

13C kernemagnetisk resonans (NMR) spektrum af den fremstillede precursor molekyle 3 Viser 12 sp-hybridiserede carbonatomer i hexayne segmentet med de tilsvarende kemiske skift af δ = 82-60 ppm (figur 1b). Desuden er signalerne ved δ = 173 ppm og ved δ = 52 ppm tildelt carbonyl og methyl carbon af esteren hhv. Signalerne mellem δ = 33-14 ppm tilskrives de alifatiske carbonatomer i dodecyl- rest. Den tilsvarende UV / Vis absorptionsspektrum for 3 viser den karakteristiske vibronic fine struktur af en hexayne (figur 1c).

De filmdannende egenskaber af hexayne amphiphil (3) undersøges ved måling af fladetrykket-område isoterm og ved at aflede kompressibilitetsfaktorerne moduler (Figur 2a-b). Kompression af laget medfører en forhøjelse af overfladen tryk ved en middelmolekylvægt areal på 24 Å 2 og isotermen har en stejl skråning. Endvidere observeres en stærkt hældende plateau region mellem overfladetryk af 9 og 15 mN / m, hvilket svarer til middelmolekylvægt områder 22 og 18 Å 2. Over plateau observeres et andet stejl stigning af hældningen af isotermen op til sammenbrud af filmen ved en fladetryk på 37 mN / m svarende til en middelmolekylvægt areal på 17 Å 2. En afbildning af kompressibilitetsfaktorerne modul versus overfladetrykket viser, at de tidligere stiger til værdier af C s-1> 100 mN / m selv ved overfladen tryk så lavt som 1-9 mN / m. Dette efterfølges af et fald i modulus i den flade del, og en yderligere stigning ud værdier af C s-1> 300 mN / m optil sammenbruddet af filmen. Overvågning laget af (3) ved et fladetryk på 8 mN / m viser ingen ændring i det tilsvarende overfladeareal (figur 2c). Ved et fladetryk på 23 mN / m over plateauet i isotermen imidlertid en signifikant reduktion af overfladearealet sker i løbet af 45 min (figur 2D).

Den selv-samlet monolag på overfladen tryk under plateauet i isoterm kendetegnet ved at registrere infrarød refleksion absorption (IRRA) spektre (figur 3). Den IRRA spektre ved overfladen tryk på 1-8 mN / m viser brede bånd på 3.600 og 1.670 cm-1, der opstår fra OH stretching og bøjning vibrationer af vand hhv. Desuden er et bånd ved 2.350 cm-1 observeret, der stammer fra en utilstrækkelig kompensation for den kuldioxid signal (figur 3a). Next til disse baggrundssignaler, spektrene display bånd ved 2.919 og 2,849 cm-1 svarende til den asymmetriske og symmetriske CH2 stretching vibrationer af dodecyl- rester af amfifil (3) (figur 3b). Positionerne af disse bånd tjener som kvalitative markører for den konformationelle rækkefølge alkylrester i monolag ved luft-vand grænsefladen 45,51. Desuden er båndene ved 2200 og 2.171 cm-1 observeret, at der kan tildeles til C = C strækker vibrationer af hexayne del (figur 3c). Den IRRA spektre ændrer ikke ved komprimering af laget til forskellige overflade tryk under plateauet i isoterm.

Carboniseringen overvåges ved IRRA spektroskopi og udviklingen af overfladetrykket efterfølges ved hjælp af fladetrykket mikrovægt (figur 4). En comparispå den IRRA spektre før og efter UV-bestråling viser, at den vibrationelle bånd er forbundet med de hexayne dele (ν (C = C)) ved 2.200 og 2.172 cm-1 er helt forsvundet efter 40 min bestråling (fig 4c). Samtidig, den asymmetriske og symmetriske methylen stretching vibrationer på 2.919 og 2,849 cm-1 fald i intensitet og skifte til frekvenser på 2.924 og 2.855 cm-1, (figur 4b). Desuden OH-bånd af underfase (ν (OH)) ved 3.600 cm-1 signifikant fald i intensitet i løbet af bestråling (figur 4a). Dataene fra fladetryk mikrovægt viser, at når barriererne er faste efter komprimering af monolaget til 8 mN / m, og UV-bestråling er startet, forøger fladetrykket hurtigt ud over værdier på 27 mN / m i løbet af carbonization proces.

Film overført til safir substrater efter UV-inducerede forkoksning viser en bred, uden særlige træk absorption ved bølgelængder på op til 550 nm i det respektive UV / Vis-spektret (figur 4e). Den vigtigste absorptionstop af carbon nanosheets observeres ved ca. 260 nm, og sammenligningen med det spektrum af monolaget før bestråling bekræfter den fuldstændige omdannelse af de hexayne dele. Brewster-vinklen mikrografer (figur 5) og scanningelektronmikroskopi (SEM) billeder tjene som et middel til at visualisere de opnåede carbon nanosheets (figur 6). Mens Brewster-vinklen mikrografier af et monolag af amphiphilet (3) komprimeret til 8 mN / m show en film med urenheder eller hulrum som angivet ved de sorte regioner (figur 5A), billederne af laget opnået efter carbonisering ved UV-bestråling disprede sig en klar ændring i teksturen af filmen (figur 5b, c). Efter brud af arket øer forbliver flydende ved luft-vand grænsefladen (figur 5d). Elektronmikroskopi viser nanosheets efter Langmuir-Schäfer overførsel til et Holey kulstof TEM gitter som støtte. De nanosheets er mekanisk stabil nok til at spænde over mikrometer størrelse huller i en TEM gitter (figur 6a-d). Observeres en svag kontrast mellem regioner dækket med carbon nanosheet og andre på en accelererende spænding på 2,0 kV (figur 6a, den mørke plet synlig i billedet skyldes den lille arbejdsafstand fører til en shadowing effekt ved lave forstørrelser). Billeder taget i den samme position fremhæve indflydelse accelerationsspænding, som carbonkilden nanosheet bliver uigennemtrængelig for elektronstrålen på omkring 0,5 kV, og carbonatomet nanosheet viser drapering samt rynker på sin kant (figur 6b, c). Filmen er ellers meget glat og ensartet fordelt over nettet længere væk fra grænseregionen (figur 6d, defekten i de bærende gitter hjælpemidler identificere kulstof nanosheet).

Figur 1
Figur 1: (A) Syntese af hexayne amphiphil (3) ved sekventiel bromering 52,53 og Pd-katalyseret forlængelse 30,31 af alkyn segment. Reagenser og betingelser: (i) 1,4-bis (trimethylsilyl) buta-1,3-diyne, MeLi · LiBr, ZnCl2, PdCl2 (dppf) · DCM, THF / toluen, 71%; ii) AGF NBS, MeCN; derefter 1-trimethylsilyloctadeca-1,3,5-triyne 7, MeLi · LiBr, ZnCl2, PdCl2 (dppf) · DCM, THF / toluen, 23% over to trin; (Iii) NaOMe, DCM, MeOH, kvantitativ. (< strong> b) 13C NMR-spektret af hexayne amphiphil (3) med tolv acetylen carbon resonanser (orange) og (c) den tilsvarende UV / Vis-spektret. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2: Undersøgelse af hexayne amphiphil (3) ved luft-vand grænsefladen (a) fladetryk område isoterm og (b) plot af sammentrykkelighed modulus af filmen indikerer en direkte overgang fra en gas-analog fase til. en kondenseret fase. (C) Et lag komprimeres til 8 mN / m samt (d) 23 mN / m, og udviklingen af overfladearealet overvåges ved konstant fladetryk. about / filer / ftp_upload / 53505 / 53505fig2large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3: Infrarød refleksion-absorption (IRRA) spektre af filmen af hexayne amphiphil (3) (40 °, s -polarized lys) komprimeres til overfladen tryk mellem 1 mN / m (sort linie) og 8 mN / m (lys blå linje). (a) den fulde spektrum med prominente bands på 3.600 og 1.670 cm-1 fra vandet underfase samt toppen omkring 2.350 cm-1 på grund af utilstrækkelig kuldioxid kompensation. (B) Den spektrale region af methylen stretching vibrationer samt (c) de bånd svarende til den hexayne delen. 05 / 53505fig3large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4: Undersøgelse af carboniseringen af en film af den reaktive, carbonrige amfifil 3. (A) IRRA spektre registreret før (blå linje) og efter 40 min (rød linje) af UV-bestråling. (B) Den spektrale region af methylen stretching vibrationer samt (c) de bånd svarende til den hexayne delen. (D) Med barriererne fastgjort til et konstant overfladeareal, der observeres en signifikant stigning i overfladen tryk under carboniseringen. (E) UV / Vis-spektra af bestrålede film i sammenligning med en ikke-carboniseret film af (3) viser en bred og uden særlige træk absorption ved bølgelængder på op til 600 nm.about / filer / ftp_upload / 53505 / 53505fig4large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5: Brewster-vinklen mikroskopi (BAM) forsøg med en film af amfifil 3 ved luft-vand-grænsefladen før og efter carbonisering ved UV-bestråling (a) Mikrograf af et monolag af (3) komprimeret til 8 mN / m.. (B) Efter UV-bestråling, observeres en klar ændring i teksturen af film, (c) bliver mere ensartet efter lade filmen ekspandere ved at åbne barriererne. (D) brud på forkullede ark ved manipulation med en nål efterlader øer svævende ved luft-vand grænsefladen. Klik her for at se et større version af dette tal.

Figur 6
Figur 6:. Scanning elektronmikroskopi (SEM) af et carbon nanosheet efter Langmuir-Schäfer overførsel til et holey carbon TEM gitter som støtte (a) en delvist overdækket gitter afbildet ved en accelererende spænding på 2,0 kV. (B - c) carbon nanosheet bliver uigennemtrængelig for elektronstrålen på omkring 0,5 kV. (D) Væk fra kanten, en glat film ensartet spreder nettet. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Den ønskede hexayne amphiphil (3) er ligefremt fremstilles ved sekventiel bromering 52,53 og Pd-katalyseret forlængelse 30,31 af alkyn segment, efterfulgt af en endelig afbeskyttelsesreaktion af tritylphenyl ester (2) (figur 1a) 29. Den vellykkede syntese bekræftes af 13C NMR-spektret (figur 1b) samt UV-Vis absorptionsspektrum (fig 1c) 31,54. Dette viser letkøbt natur ved hvilken højere oligoyne homologe kan fremstilles ved den udviklede syntetiske metode 30,31. Det er imidlertid vigtigt at holde følsomheden af ​​oligoyne derivater i tankerne, og deres opbevaring i fortyndede opløsninger er tilrådeligt for at sikre langsigtet integritet. Desuden bør pæne forbindelser håndteres i mørke ved eller under stuetemperatur for at undgå enhver for tidlig nedbrydning. Dette er af afgørende betydning forbromotriyne mellemprodukt, der er fremstillet in situ i syntesen af hexayne ester (2), da denne forbindelse let dimeriserer i den faste tilstand 41. Den hexayne amphiphil (3) reversibelt danner film ved luft-vand grænsefladen (figur 2a, b), undergår successive overgange fra en gas-analog fase til to forskellige kondenserede faser adskilt af et plateau 55. Overvågning af udviklingen af overfladearealet over tid ved konstant fladetryk bevist, at filmene var stabile ved tryk under plateauet (figur 2c, d). Carboniseringen af ​​monolaget blev derfor undersøgt ved en overflade tryk på 8 mN / m. For at opnå reproducerbare målinger af fladetryk området isoterm, en ren Langmuir trug opsætning er af allerstørste betydning.

IRRA spektre display bands for de asymmetriske og symmetriske methylen strækker vibrationer ved 2919 og 2,849 cm-1 alle-trans tilstand (figur 3a, b) 45,51. Båndene på 2.200 og 2.171 cm-1 kan tildeles til C = C strækker vibrationer af hexayne delen (figur 3c). Ved UV-bestråling af selv-samlet monolag, disse bånd helt forsvinde, hvilket indikerer en næsten fuldstændig omdannelse (figur 4a-c). Methylenchloridlaget stretching vibrationer skifte til frekvenser på 2.924 og 2.855 cm-1 (figur 4B), hvilket indikerer, at dodecyl- kæder undergår en konformationel ændring til en væske-ekspanderet, usorteret (gauche) state 45,51. En betydelig stigning i overfladetrykket strækker sig over hele forkoksning ved et konstant overfladeareal, hvilket antyder en sideværts ekspansion af laget ved forkoksning (figur 4d). Monolag før og efter carboniseringen derefter transferred til safir substrater. Forskellig fra hexayne (3) i opløsning, og den ikke-bestrålede monolag, UV / Vis-spektret for den forkullede film viste en bred, uden særlige træk absorption ved bølgelængder på op til 550 nm, hvilket giver afgørende beviser for omfattende forkoksning (figur 4e) . Den optiske båndgab på ca. 2,2 eV tyder således tilstedeværelsen af mindst nanometer-store områder af grafitcarbon, ifølge undersøgelser af reduceret graphene oxid materialer 56,57.

Brewster-vinklen mikrografier af et monolag af amphiphilet (3) før carboniseringen viser en film med urenheder eller hulrum som angivet ved de sorte regioner (figur 5a). Derimod billeder af monolaget efter carboniseringen vise en mere homogen film med en korrugeret tekstur (figur 5b), selv efter ekspansion af de barrierer af Langmuir truget (5c).De forkullede film kan brydes ved manipulering med en nål, og den opbrudte øer forbliver flydende ved luft-vand grænsefladen (figur 5d). Dette bestyrker den drastisk øget mekanisk stabilitet af filmene efter forkulning. Desuden SEM-mikrografer bekræfter dannelsen af en tynd carbon nanosheet med udvidede laterale dimensioner (figur 6a-d).

Som konklusion har vi heri præsenteret en ny metode til fremstilling af kulstof nanosheets baseret på selv-samling og efterfølgende forkoksning af amfifile hexaynes på luft-vand-grænsefladen. Denne fremgangsmåde giver mekanisk stabile funktionaliserede carbon film, der bærer ligheder med reduceret graphene oxid i deres carbon struktur. De laterale dimensioner af carbon nanosheets er kun begrænset af det område, som Langmuir truget og kvadratcentimeter mellemstore nanosheet prøver ligefremt fremstillet. Især den præsenterede metode opnår acomplete forkoksning ved stuetemperatur, hvilket adskiller den markant fra andre tilgange mod kulstof nanomaterialer, der typisk er afhængige af proces temperaturer over 800 ° C 18,58,59. Følgelig er kemisk funktionelle grupper bevares og kan opnås en styring af overfladekemien af ​​carbon nanosheets gennem et omhyggeligt valg af de amfifile precursormolekyler. Vi forudser et væld af potentielle ansøgninger fra udarbejdelse af kemoselektiv substrater for elektron-mikroskopi til beskyttende belægninger, nye elektrode materialer, 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

Kemi oligoynes amfifiler selv-samlet monolag luft-vand-grænsefladen stuetemperatur forkulning nanosheets kulstof nanostrukturer
Udarbejdelse af Carbon Nanosheets ved stuetemperatur
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