Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Voorbereiding van de Carbon Nanosheets bij kamertemperatuur

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

Tweedimensionale koolstofnanostructuren trekken veel aandacht vanwege de gerapporteerde uitstekende elektrische, thermische en mechanische eigenschappen 1-5. Deze materialen zouden moeten de technische vooruitgang op het gebied van polymeersamenstellingen 6, energiereservoirs 7 en moleculaire elektronica 8-10 bevorderen. Ondanks intensief onderzoek inspanningen in de afgelopen jaren echter, de toegang tot grotere hoeveelheden welbepaalde koolstof nanomaterialen is nog steeds beperkt, waardoor hun grootschalige implementatie in technologische toepassingen 11,12 belemmert.

Carbon nanomaterialen zijn bereikbaar door een top-down of bottom-up aanpak. Typische benaderingen zoals afschilfering technieken 13 of hoogenergetische processen op oppervlakken 14-16 bieden de mogelijkheid om materialen met een hoge mate van structurele perfectie en zeer goede prestatie te verkrijgen. De isolatie en zuivering van ee producten blijft een uitdaging, en de grootschalige productie van gedefinieerde nanostructuur materialen is moeilijk 12. Anderzijds kunnen bottom-up benaderingen worden gebruikt die afhankelijk van het gebruik van moleculaire precursoren, hun opstelling in gedefinieerde structuren, en een daaropvolgende carbonisatie dat de koolstofnanostructuren 17-23 oplevert. In dit geval, de voorlopers zelf zijn complexer en hun bereiding vereist vaak meerdere synthesestappen. Deze benaderingen kunnen een hoge mate van controle over de chemische en fysische eigenschappen van de resulterende materialen bieden en kunnen een directe toegang tot speciaal materiaal leveren. Echter de omzetting van de voorlopers tot koolstof nanomaterialen typisch uitgevoerd bij temperaturen boven 800 ° C, wat leidt tot een verlies van de ingebedde chemische functionalisering 24-27.

De hierboven genoemde beperkingen zijn in onze groep aangepakt door het gebruik van zeer reactieve oligoynes dat can worden omgezet in koolstofvezels nanomaterialen bij kamertemperatuur 28,29. Vooral amfifielen die een hydrofiele kopgroep en een hexayne segment toegankelijk via een opeenvolging van bromering en palladium gemedieerde Negishi kruis-koppelingsreacties 30,31. De omzetting van deze precursor moleculen in de beoogde structuur optreedt bij of beneden kamertemperatuur bij bestraling met UV-licht. De hoge reactiviteit van de oligoyne amfifielen maakt het gebruik van zachte templates, zoals de lucht-water grensvlak of vloeistof-vloeistof interface mogelijk. In eerdere onderzoeken, hebben we met succes bereid blaasjes uit oplossingen van hexayne glycoside amfifielen 28. Verknoping van deze vesicles werd onder milde omstandigheden bereikt door UV bestraling van de monsters. Bovendien hebben we onlangs bereid zelf-geassembleerde monolagen van hexaynes met een methylgroep carboxylaat kopgroep en een hydrofobe alkyl staart in de lucht-water-interface in een Langmuir trog. De dichtbevolkte Packed moleculaire voorlopers werden daarna rechtlijnig omgezet in zelfdragend carbon nanosheets bij kamertemperatuur door UV-bestraling. In verwante benaderingen gedefinieerde moleculaire precursoren zijn onlangs gebruikt voor de bereiding van tweedimensionaal uitgebreide nanosheets de lucht-water grensvlak 32-38.

Het doel van dit werk is om een ​​beknopt, praktisch overzicht van de totale synthese en fabricage stappen die het mogelijk maken voor de bereiding van koolstof nanosheets van hexayne amfifielen geven. De focus ligt op de experimentele aanpak en voorbereidende vragen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Let op: Zorg ervoor dat u de relevante gegevens materialen veiligheidsinformatiebladen (VIB) raadplegen alvorens het gebruik van chemische verbindingen. Een deel van de chemicaliën die worden gebruikt in deze syntheses zijn acuut giftig en kankerverwekkend. Bereid nanomaterialen kunnen extra gevaren hebben in vergelijking met hun bulk tegenhanger. Het is noodzakelijk om alle nodige veiligheidsvoorschriften te gebruiken bij het uitvoeren van reacties (zuurkast) en persoonlijke beschermingsmiddelen (veiligheidsbril, handschoenen, laboratoriumjas, volledige lengte broek, dichte schoenen). Indien niet anders vermeld de volgende procedures te betrekken standaard Schlenk-technieken 39.

1. Voorbereiding van de Molecular Voorloper 29,31

  1. Synthese van 4-tritylphenyl 10 (trimethylsilyl) deca-5,7,9-triynoate (1)
    Opmerking: De vereiste verbindingen voor de later beschreven synthetische stappen kan gewoon worden bereid volgens gepubliceerde literatuur procedures 29,31. Dunne laag chromatography (TLC) en kolomchromatografie worden volgens standaard laboratoriumprocedures 39,40 uitgevoerd.
    1. Dissolve 1,4-bistrimethylsilylbutadiene (7,82 g, 40,3 mmol) in droog tetrahydrofuran (THF, 50 ml) in een inerte atmosfeer in een Schlenk-buis voorzien van een septum. Roer het mengsel en koel het tot een temperatuur van 0 ° C door onderdompeling van de kolf in een ijsbad.
    2. Voeg langzaam methyllithium lithiumbromide complex (17,9 ml, 2,2 M in Et2O, 39,3 mmol) aan deze oplossing injectiespuit. Verwijder het koelbad en laat het mengsel opwarmen tot kamertemperatuur en laat 30 minuten roeren.
    3. Dompel de Schlenk buis in een ijsbad en laat de oplossing tot een temperatuur van 0 ° C. Voeg langzaam een ​​oplossing van zinkchloride (57,5 ml, 0,7 M in THF, 40,24 mmol) aan de geroerde oplossing. Verwijder het koelbad, laat de oplossing opwarmen tot kamertemperatuur en roer het mengsel gedurende nog 30 min.
    4. In een Schlenk kolf disperse palladium katalysator PdCl2 (dppf) DCM (1,60 g, 1,96 mmol) in droog tolueen (300 ml) in een inerte atmosfeer, en voeg 4-tritylphenyl 6-bromohex-5-ynoaat (10,0 g, 19,63 mmol). Koel het mengsel tot een temperatuur van 0 ° C door onderdompeling van de Schlenk kolf in een ijsbad.
    5. Breng de oplossing in de Schlenk buis met het zink acetylide aan de Schlenk kolf die de bromoacetylene derivaat en de palladiumkatalysator door toepassing van een transfercanule. Laat het mengsel roeren en het toezicht op de reactie door TLC 39. Beschouw de reactie voltooid na TLC (DCM / n-heptaan 2: 1, kleuring met p -anisaldehyde oplossing 39) geeft aan dat de bromoacetylene derivaat (Rf: 0,64) wordt geconsumeerd (na ongeveer 16 uur).
    6. Verdun het reactiemengsel met diethylether (Et 2 O) (300 ml) en overgebracht naar een scheitrechter. Was de organische fase driemaal met saturated ammoniumchlorideoplossing (300 ml) en eenmaal met een verzadigde natriumchlorideoplossing (300 ml).
    7. Breng de organische fase uit de scheitrechter een Erlenmeyer kolf en droog de organische fase boven natriumsulfaat (100 g). Verwijder het natriumsulfaat door filtratie en concentreer de organische fase in vacuo.
    8. Zuiver het ruwe product door kolomchromatografie 40 (silicagel; dichloormethaan / n-heptaan 1: 1) teneinde het gewenste product 1 verkrijgen (Rf: 0,33, 7,7 g, 71%) als een lichtbruine vaste stof. Controleer de zuiverheid van (1) door middel van 1H en 13C {1H} NMR-spectroscopie 29.
  2. Synthese van 4-tritylphenyl octacosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate (2)
    Opmerking: De synthese van 4-tritylphenyl octacosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate 2 wordt over twee stappen vanaf 4-tritylphenyl 10 (trimethylsilyl) deca-5,7,9-triynoate vanwege uitgevoerd de waargenomen lage stabiliteit van de tussenliggende triyne bromide 41.
    1. Oplossen 4-tritylphenyl 10- (trimethylsilyl) deca-5,7,9-triynoate 1 (2,00 g, 3,63 mmol) in droog dichloormethaan (DCM, 15 ml) in een inerte atmosfeer in een Schlenk kolf van 100 ml uitgerust met een septum. Na oplossing van de verbinding, voeg droge acetonitril (MeCN, 15 ml).
    2. Scherm de Schlenk kolf van licht met aluminiumfolie en voeg N-broomsuccinimide (679 mg, 3,81 mmol) als zilver fluoride (484 mg, 3,81 mmol). Roer het verkregen mengsel gedurende 8 uur bij kamertemperatuur en de voortgang van de reactie door TLC. Beschouw de reactie voltooid na TLC (DCM / n-heptaan 1: 1, detectie met p -anisaldehyde oplossing 39 als kleurstof) geeft aan dat het uitgangsmateriaal (1) (Rf: 0,33) wordt geconsumeerd (na ongeveer 3 uur) .
    3. Wordt het reactiemengsel verdund met DCM (30 ml) en overbrengen in een scheitrechter. Was de organischefase zes keer met een 1 M waterige zoutzuur oplossing (60 ml) en eenmaal met een verzadigde waterige natriumchlorideoplossing (60 ml).
    4. Breng de organische fase uit de scheitrechter een Erlenmeyer kolf en droog de organische fase boven natriumsulfaat (50 g). Filtreer de organische fase en concentreer het filtraat in vacuo tot ongeveer 10 ml, onder goed afschermt tegen licht.
    5. Voeg droge tolueen (20 ml) en concentreer het mengsel opnieuw onder vacuüm tot een volume van ongeveer 5 ml.
    6. Los 1-trimethylsilyloctadeca-1,3,5-triyne (2,28 g, 7,26 mmol) in droog THF (20 ml) in een inerte atmosfeer in een Schlenk tube 100 ml uitgerust met een rubber septum. Koel de oplossing tot een temperatuur van 0 ° C door onderdompeling van de Schlenk-buis in een ijsbad.
    7. Voeg langzaam methyllithium lithiumbromide complex (3,22 ml, 2,2 M in Et2O, 7,08 mmol) en houd de temperatuur van het mengsel bij0 ° C gedurende 45 minuten.
    8. Aan dit mengsel, voeg langzaam een ​​oplossing van zinkchloride (10,37 ml, 0,7 M in THF, 7,26 mmol). Nadat de toevoeging voltooid is, roer het verkregen mengsel gedurende nog 45 min.
    9. Tegelijkertijd verspreidt de palladiumkatalysator PdCl2 (dppf) DCM (296 mg, 0,36 mmol) in droge tolueen (100 ml) in een inerte atmosfeer in een Schlenk-kolf van 500 ml uitgerust met een rubber septum. Koel het mengsel tot een temperatuur van 0 ° C door onderdompeling van de kolf in een ijsbad.
    10. Voeg langzaam n-butyllithium (0,29 ml, 2,5 M in n-hexaan, 0,73 mmol) aan de dispersie van de palladiumkatalysator in droge tolueen. Verwijder het ijsbad na volledige toevoeging werd het mengsel gedurende 10 minuten bij kamertemperatuur geroerd en daarna afkoelen tot een temperatuur van 0 ° C.
    11. Voeg de geconcentreerde tolueenoplossing die de 4-tritylphenyl 10-bromodeca-5,7,9-triynoate (10 ml, 3,63 mmol) via een injectiespuit gelijktijdig met zink acetylide zolutie (zie hierboven), dat wordt toegevoegd via een canule overdracht van de Schlenk tube. Scherm de kolf met het reactiemengsel van licht met aluminiumfolie.
    12. De voortgang van de reactie door TLC (DCM / n-heptaan 1: 1, detectie met p -anisaldehyde oplossing 39 als kleurstof). Na volledig verbruik van 4-tritylphenyl 10-bromodeca 5,7,9 triynoate (Rf: 0,34, na ongeveer 48 uur), verdun het mengsel met Et 2 O (100 ml) en overbrengen in een scheitrechter. Was de organische fase drie maal met een verzadigde waterige ammoniumchlorideoplossing (200 ml) en eenmaal met een verzadigde waterige natriumchlorideoplossing (200 ml).
    13. Breng de organische fase naar een Erlenmeyer kolf en drogen op natriumsulfaat (80 g). Filtreer de organische fase en concentreer het filtraat in vacuo.
    14. Zuiver het ruwe product door kolomchromatografie 40 (silica gel; DCM / n-heptaan 1: 1) te isoleren 4-tritylphenyl octacosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate (2) (Rf: 0,43; 0,60 g, 23%) als een bruine vaste stof. Controleer de zuiverheid van (2) van 1 H en 13C {1H} NMR spectroscopie 29.
  3. Synthese van methyl-5,7,9,11,13,15-octacosa hexaynoate (3)
    1. Oplossen 4-tritylphenyl octacosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate (2) (208 mg, 0,289 mmol) in DCM (15 ml) in een inerte atmosfeer in een 100 ml Schlenk kolf en voeg methanol ( 10 ml).
    2. Scherm de kolf van licht met aluminiumfolie en voeg natriummethanolaat (31 mg, 0,578 mmol).
    3. Roer het verkregen mengsel gedurende 30 minuten bij kamertemperatuur. Daarna verdund met DCM (15 ml), over in een scheitrechter, was eenmaal met 1 M zoutzuur oplossing (30 ml) en eenmaal met een verzadigde waterige natriumchlorideoplossing (30 ml).
    4. Breng de organische fase in een Erlenmeyer kolf en drogen op natriumsulfaat (30 g). Filtreer de organische fase en concentreer het filtraat in vacuo.
    5. Zuiver het ruwe product door kolomchromatografie 40 (silicagel; DCM / n pentaan 1: 1) waardoor methyl-5,7,9,11,13,15-octacosa hexaynoate (3) (Rf: 0,62) te isoleren als gele oplossing. Sla het product van deze reactie als een verdunde oplossing DCM (10 ml) om eventuele ontleding minimaliseren.
    6. Breng ongeveer 3 ml van de voorraadoplossing een bruine glazen rondbodem kolf en voeg CDCl3 (5 ml). Concentreer de oplossing tot ongeveer 1 ml in vacuo, voeg CDCl3 (5 ml) en concentreer de oplossing tot ongeveer 1 ml in vacuo. Voer 1 H en 13C {1H} NMR-spectroscopie met deze oplossing om de zuiverheid van controleren (3) 29.
  4. Vriesdrogen van hetMethyl Ester en de voorbereiding van een Stock Solution
    1. Bereid een voorraadoplossing van gedefinieerde concentratie (c = 1 mM) voor experimenten bij de lucht-water grensvlak. Transfer een fractie van de verdunde oplossing van methyl-5,7,9,11,13,15-octacosa hexaynoate in DCM tot een getarreerde 50 ml bruine glazen rondbodemkolf en concentreer de oplossing tot ongeveer 1 ml in vacuo.
    2. Sluit de kolf met een vacuümleiding en de kolf in vloeibare stikstof om de geconcentreerde oplossing te bevriezen. Nadat het mengsel volledig stollen toepassen vacuüm (ongeveer 5 x 10 -3 mbar) aan de kolf en de kolf verwijderd uit de vloeibare stikstof.
    3. Na volledige verwijdering van het resterende oplosmiddel, wegen de kolf terwijl afscherming tegen licht. Bereid een voorraadoplossing van gedefinieerde concentratie c = 1 mM door toevoeging van de juiste hoeveelheid chloroform. Scherm de stock-oplossing van licht en op te slaan bij een temperatuur van -15 ° C.

    2. Film Vorming van de Hexayne amfifiel op de Air-water Interface

    Let op: Alle experimenten op het lucht-water-interface worden uitgevoerd met een computer-interface polytetrafluorethyleen Langmuir troggen uitgevoerd met één (of twee) barrières. De troggen zijn voorzien van een oppervlaktedruk microbalans met filtreerpapier Wilhelmy plaat. Een externe thermostaat wordt gebruikt om de temperatuur van de ultrazuiver water subfase handhaven op 20 ° C. De Langmuir troggen zijn in een verzegelde doos geplaatst om de verontreiniging van het grensvlak te voorkomen. Voordat metingen worden uitgevoerd, wordt de zuiverheid van de naakte oppervlakte gecontroleerd door middel van compressie. Alle toegepaste experimentele Langmuir opstellingen worden vóór gekalibreerd voor gebruik door toepassing van een tweepunts kalibratiemethode: de naakte wateroppervlak 0 mN / m en de tweede orde overgang van een gekanteld naar een niet-gekantelde stand van stearinezuur 42, dat is niet gevoelig voor temperatuur veranderingen in de gebruikte temperature bereik. Dit zorgt voor betrouwbare en vergelijkbare metingen.

    1. Meting van de Surface Pressure-area Isotherm en Bepaling van de samendrukbaarheid Modulus
      1. Met een spuit voorzichtig uit 100 ul van de verdunde voorraadoplossing van (3) in DCM / chloroform (c = 1 mmol / l) op het oppervlak van de ultrazuiver water in een Langmuir trog.
      2. Laat de Langmuir trog equilibreren 15 minuten waardoor het oplosmiddel verdampt.
      3. Druk de laag met een constante compressieverhouding van 5 A / (min x molecuul) door vermindering van de oppervlakte van de Langmuir trog met barrières. Gelijktijdig meten van de oppervlakte druk met het oppervlak druk microbalans uitgerust met een papieren filter Wilhelmy plaat. Verdere samendrukking van de laag tot een afname van de oppervlaktedruk geeft de ineenstorting van de film.
      4. Herhaal de oppervlakte druk-gebied isotherm metingen zoals beschreven in 2.1.1-2.1.3 twee keermet een schone Langmuir trog om de reproduceerbaarheid van de resultaten te verzekeren.
      5. Bepaal de samendrukbaarheid modulus van de isotherm van de laag volgens de volgende relatie 43
        C s -1 = - A (∂ Π / ∂ A) T
        waarbij A het gemiddelde moleculaire stippellijn Π de oppervlaktedruk.
    2. Onderzoek van de stabiliteit van de laag onder en boven het Plateau in de Isotherm
      1. Verspreid een portie van 100 pl van de verdunde voorraadoplossing van (3) met ultrazuiver water in een Langmuir trog.
      2. Laat de Langmuir trog equilibreren 15 minuten waardoor het oplosmiddel verdampt.
      3. Comprimeer de laag een oppervlaktedruk van 8 mN / m met een constante compressieverhouding van 5 A / (min x molecuul) door vermindering van de oppervlakte van de Langmuir trog met barrières. Ga door de compressie van de laag tot de gemeten survlakdruk bereikt 8 mN / m en stel de barrières zodat deze oppervlaktedruk op een constante waarde wordt gehouden.
      4. Bewaken van de ontwikkeling van het oppervlak als de barrières van de Langmuir trog passen in de loop van 45 min een constante oppervlaktedruk van 8 mN / m te handhaven.
      5. Comprimeer de laag een oppervlaktedruk van 23 mN / m met een constante compressieverhouding van 5 A / (min x molecuul) van het oppervlak van de Langmuir trog met barrières verder te verlagen. Stel de barrières zodat de oppervlaktedruk van 23 mN / m constant wordt gehouden.
      6. Bewaken van de ontwikkeling van het oppervlak als de barrières van de Langmuir trog passen in de loop van 45 min een constante oppervlaktedruk van 23 mN / m te handhaven.
    3. Karakterisering van de Layer door infrarood reflectie-absorptie spectroscopie
      Opmerking: Om infrarood (IR) spectra, een FT-IR spectrometer uitgerust met een vloeibare stikstof gekoelde cadmiumkwiktelluride opnemen (MCT) detector wordt toegepast en de laatste is op een externe lucht / water reflectie apparaat bevestigd. De IR-straal wordt geleid uit de spectrometer en gericht op het ultrapuur water oppervlak van de thermostaat is Langmuir trog. Gezien p -polarization onder een hoek van inval onder (40 °) de Brewster hoek werd gebruikt voor de metingen. De Langmuir trog IR metingen bestaat uit twee compartimenten: in één compartiment wordt het monster monolaag systeem verspreid, terwijl het andere compartiment de ultrazuiver water subfase als referentie opgenomen. Een computergestuurde pendelsysteem wordt gebruikt om de bak te verplaatsen, zodat of het monster of de referentie compartiment wordt verlicht. Om de waterdamp signaal van de spectra elimineren Bereken het reflectie-absorptiespectrum volgens log (R / R 0), met de single-beam reflectiecoëfficiënt spectrum van de referentie compartiment (R 0) als achtergrond voor de single-beam reflectie spectrumvan de monolaag (R) van het monstercompartiment. Houdt het water dampdruk constant door het plaatsen van de gehele experimentele opstelling in een hermetisch afgesloten doos. In alle experimenten, gebruik Resolutie en scannersnelheid van 8 cm -1 en 20 kHz respectievelijk. Gebruik een draadrooster polarisator om het incident infraroodstraal polariseren. Co-voeg de spectra met p -polarized licht meer dan 400 scans. Voer een basislijn-correctiefactor voor een vergelijking van de spectra.
      1. Verspreid een portie van 100 pl van de verdunde voorraad oplossing van (3) op ultrapuur water in een Langmuir trog bestaande uit een infrarood reflectie-absorptie (IRRA) spectroscopie setup.
      2. Laat de Langmuir trog equilibreren 15 minuten waardoor het oplosmiddel verdampt.
      3. Comprimeer de laag een oppervlaktedruk van 1 mN / m met een constante compressieverhouding van 5 A / (min x molecuul) door vermindering van de oppervlakte van de Langmuir trog met barrières. Bewaak het oppervlak pressure via de vlaktedruk microbalans met filtreerpapier Wilhelmy plaat en stel de barrières van de Langmuir trog zodat een oppervlaktedruk van 1 mN / m wordt gehandhaafd.
      4. Neem een IR spectrum p -polarized licht bij een invalshoek van 40 ° 44,45.
      5. Comprimeer de laag met een constante compressieverhouding van 5 A / (molecule x min) van het oppervlak van de Langmuir trog met de barrières zodat oppervlaktedruk van 3, vervolgens 5 verder verminderen en uiteindelijk 8 mN / m worden vervaardigd als omschreven door het oppervlak druk microbalans. Neem spectra met p -polarized licht bij een invalshoek van 40 ° voor elk van deze oppervlaktedruk terwijl deze constant 44,45.

    3. Carbonisatie van een Hexayne amfifiel monolaag bij kamertemperatuur

    Opmerking: Alle experimenten bij de lucht-water grensvlak worden uitgevoerd zoals hierboven beschreven. UV irradiatie wordt uitgevoerd met behulp van een 250 W-gallium gedoteerde metaalhalogenide UV-lamp (UV-licht Technology, Birmingham, Verenigd Koninkrijk). Voor carbonizations van films in de lucht-water-interface, wordt het vak omsluit de Langmuir trog zorgvuldig verwijderd of aan de zijkant geopend, en de lamp is geplaatst op 50 cm afstand van het wateroppervlak, terwijl ervoor te zorgen dat de lucht-water-interface wordt behandeld in de kegel van UV-licht. Gedurende belichting wordt de temperatuur van de subfase gehandhaafd op 20 ° C met de thermostaat van de Langmuir trog. Alle carbonisatie experimenten worden uitgevoerd bij een oppervlaktedruk van 8 mN / m. Bij deze druk een dichte pakking van de amfifielen wordt gewaarborgd terwijl, tegelijkertijd, de monolaag wordt een hoge stabiliteit.

    1. Onderzoek van de Carbonisatie door IRRA Spectroscopie en Isotherm Measurement
      Opmerking: IRRA spectra worden opgenomen zoals hierboven beschreven 44,45.
      1. Verspreid een portie van 100 pl van de verdunde voorraadoplossing van (3) met ultrazuiver water inde Langmuir trog bestaat uit een infrarood reflectie-absorptie spectroscopie (IRRA) setup.
      2. Laat de Langmuir trog equilibreren 15 minuten waardoor het oplosmiddel verdampt.
      3. Comprimeer de laag met een constante compressieverhouding van 5 A / (molecule x min) door vermindering van de oppervlakte van de Langmuir trog met de barrières zodat een oppervlaktedruk van 8 mN / m wordt verkregen zoals gemeten door de oppervlaktedruk microbalans voorzien een papieren filter Wilhelmy plaat. Stel de barrières van de Langmuir trog zodat een oppervlaktedruk van 8 mN / m wordt gehandhaafd.
      4. Neem een IR spectrum p -polarized licht bij een invalshoek van 40 ° 44,45.
      5. Verwijder voorzichtig de doos bijvoeging van de Langmuir trog. Monteer de UV-lamp op een statief en plaats het op ongeveer 50 cm afstand van het wateroppervlak, terwijl ervoor te zorgen dat de interface wordt behandeld in de kegel van het UV-licht.
      6. Na bevestiging dat de monolaag is nog steedssamengeperst bij een oppervlaktedruk van 8 mN / m zoals gemeten door de oppervlaktedruk microbalans, stel de grenzen van de Langmuir trog zodat ze op de huidige positie worden gefixeerd.
      7. Expose de lucht-water-interface aan UV-licht. Stop de bestraling door de lamp uit na een totaal van 40 min of bestraling. Bewaken en de verandering van de oppervlaktedruk opnemen door de oppervlaktedruk microbalans uitgerust met filtreerpapier Wilhelmy plaat in de loop van de bestraling.
      8. Stuur de Langmuir trog in de verzegelde formulier om een ​​verontreiniging van het grensvlak te voorkomen. Laat de setup in evenwicht komen gedurende 30 minuten. Stel de barrières van de Langmuir trog naar de oppervlakte druk waargenomen door de oppervlakte druk microbalans na bestraling te handhaven.
      9. Neem een IR spectrum p -polarized licht bij een invalshoek van 40 ° 44,45.
    2. Onderzoek van de Carbonized Film by Brewster Angle microscopY
      Opmerking: Brewster angle microscopie (BAM) experimenten worden uitgevoerd op een op maat gemaakte computer interface Langmuir trog combinatie met een Brewster hoek microscoop zoals elders beschreven 46,47. De oppervlaktedruk isothermen continu gemeten in de loop van de experimenten microscopie. De laterale resolutie is ongeveer 4 urn met de gebruikte setup. Eenvoudige beeldverwerking software wordt gebruikt om het contrast van de microfoto verbeteren.
      1. Verspreid een portie van 100 pl van de verdunde voorraadoplossing van (3) met ultrazuiver water in de Langmuir trog uitgelijnd met de Brewster hoek microscoop.
      2. Laat de Langmuir trog equilibreren 15 minuten, waardoor het oplosmiddel verdampt.
      3. Comprimeer de laag een oppervlaktedruk van 8 mN / m met een constante compressieverhouding van 5 A / (min x molecuul) door vermindering van de oppervlakte van de Langmuir trog met barrières. Controleer de vlaktedruk via het oppervlak preszeker microbalans uitgerust met een papieren filter Wilhelmy plaat en zet de barrières van de Langmuir trog, zodat een oppervlak druk van 8 mN / m wordt gehandhaafd.
      4. Neem BAM microfoto in deze oppervlaktedruk 46,47.
      5. Open voorzichtig de doos bijvoeging van de Langmuir trog. Monteer de UV-lamp op een statief en plaats het op ongeveer 50 cm afstand van het wateroppervlak, terwijl ervoor te zorgen dat de interface wordt behandeld in de kegel van het UV-licht.
      6. Zorg ervoor dat de monolaag nog samengeperst bij een oppervlaktedruk van 8 mN / m en bepaal de positie van de grenzen van de Langmuir trog.
      7. Expose de lucht-water-interface aan UV-licht. Stop de bestraling door de lamp uit na een totaal van 40 min. Bewaking en registratie van de verandering van de oppervlaktedruk in de loop van de bestraling.
      8. Record BAM micrografische na bestraling 46,47.
      9. Gebruik een naald aan de koolstof nanosheet manipuleren op het lucht-water-interface,en gebruik de BAM om de beweging van de koolstof nanosheet controleren. Uitoefenen van druk op het koolstofatoom nanosheet leidt tot een breuk van de plaat.
      10. Record BAM microfoto van de gescheurde vel 46,47.
    3. Langmuir-Blodgett Overdracht van een Uncarbonized Layer en een Carbon Nanosheet vanuit de lucht-water-interface aan een vast substraat
      Opmerking: De sapphire (Al 2 O 3) substraten vóór de overdracht door een basische behandeling piranha gereinigd en opgeslagen in ultrazuiver water vóór gebruik 48. Een pincet bevestigd aan een mechanische arm verticaal is geplaatst boven een Langmuir trog met een geschikt diepe holte van de Langmuir-Blodgett (LB) overdracht van lagen van het lucht-water grensvlak 49. Indien de overdracht van een niet-verkoold en een gecarboniseerde monster dient in hetzelfde experiment, zoals hier beschreven, twee paar pincetten moeten op verschillende hoogtes aan de mechanische arm worden bevestigd zodat een substraat cEen worden verwijderd terwijl het tweede substraat is ondergedompeld in de subfase. De transfer Langmuir-Schäfer (LS) werd handmatig met holey carbon transmissie elektronenmicroscoop (TEM) grids uitgevoerd als een ondersteuning van 50.
      1. Installeer twee saffier substraten met de twee paren van pincet, dompel de substraten in de subfase, en grondig reinigen van de lucht-water-interface vóór het uitrijden.
      2. Voorzichtig uit een portie van 100 pl van de verdunde voorraadoplossing van (3) in DCM / chloroform op ultrazuiver water in de Langmuir trog.
      3. Laat de Langmuir trog equilibreren 15 minuten waardoor het oplosmiddel verdampt.
      4. Comprimeer de laag een oppervlaktedruk van 8 mN / m met een constante compressieverhouding van 5 A / (min x molecuul) door vermindering van de oppervlakte van de Langmuir trog met barrières. Controleer de vlaktedruk via de vlaktedruk microbalans uitgerust met filtreerpapier Wilhelmy plaat en stel de barrières vande Langmuir trog zodat een oppervlaktedruk van 8 mN / m wordt gehandhaafd.
      5. Om de niet-verkoold monolaag overbrengen naar een saffieren substraat, handhaven de monolaag met een oppervlaktedruk van 8 mN / m zoals aangegeven door de oppervlaktedruk microbalans en trek de mechanische arm met een snelheid van 1,2 mm / min tot de eerste substraat volledig uit de subfase. De tweede substraat moet ondergedompeld blijven in de subfase.
      6. ophalen zorgvuldig het eerste substraat dat de niet-gecarboniseerde laag van de pincet, opslaan onder bescherming tegen licht en gebruik het voor de beoogde toepassing wanneer nodig.
      7. Open voorzichtig de doos bijvoeging van de Langmuir trog. Monteer de UV-lamp op een statief en plaats het op ongeveer 50 cm afstand van het wateroppervlak, met dien verstande dat de interface wordt behandeld in de kegel van het UV-licht.
      8. Zorg ervoor dat de monolaag wordt nog steeds samengeperst op een oppervlak druk van 8 mN / m en bevestig de position van de barrières.
      9. Expose de lucht-water-interface aan UV-licht. Stop de bestraling door de lamp uit na een totaal van 40 min of bestraling. Bewaken en de verandering van het oppervlak drukverschillen zoals gemeten door de oppervlaktedruk microbalans in de loop van de bestraling.
      10. Om de verkoolde film naar een saffieren substraat, stel de barrières van de Langmuir trog zodat de oppervlaktedruk gemeten na bestraling wordt gehandhaafd. Terwijl de oppervlaktedruk constant door de barrières van de Langmuir trog, trek de mechanische arm die het substraat van het grensvlak met een snelheid van 1,2 mm / min totdat het substraat volledig van de subfase wordt verwijderd.
      11. ophalen voorzichtig substraat dat de gecarboniseerde laag van de pincet.
      12. Houd een essen carbon TEM grid met een pincet en het uitvoeren van een handmatige LS overdracht van de verkoolde laag van de lucht-water-interface 50. laat tHij monster langzaam drogen in een zachte stroom van stikstof en het uitvoeren van scanning elektronenmicroscopie (SEM) beeldvorming.
      13. Neem UV / Vis absorptiespectra van de niet-gecarboniseerde laag en het koolstofatoom nanosheet een UV / Vis spectrometer bij een scansnelheid van 400 nm per minuut. Gebruik een lege saffier substraat als referentie.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De 13C kernmagnetische resonantie (NMR) spectrum van het bereide precursor molecule 3 toont de 12 sp-gehybridiseerde koolstofatomen van de hexayne segment met overeenkomstige chemische verschuivingen van δ = 82-60 ppm (Figuur 1b). Bovendien, de signalen bij δ = 173 ppm en bij δ = 52 ppm toegekend aan de carbonyl- en methylkoolstof van de ester resp. De signalen tussen δ = 33-14 ppm worden toegeschreven aan de alifatische koolstoffen van de dodecyl residu. De overeenkomstige UV / Vis-absorptiespectrum van 3 toont de kenmerkende vibronische fijne structuur van een hexayne (figuur 1c).

De filmvormende eigenschappen van de hexayne amfifiel (3) worden onderzocht door meting van de oppervlaktespanning-isotherm gebied en door het afleiden van de samendrukbaarheid modulus (Figuur 2a-b). Samendrukking van de laag leidt tot een verhoging van de vlaktedruk in een gemiddeld moleculair gebied van 24 Å 2 en de isotherm heeft een steile helling. Bovendien wordt een sterk gekanteld plateaugebied waargenomen tussen oppervlaktedruk van 9 en 15 mN / m, overeenkomend met moleculaire gebieden 22 en 18: een 2 resp. Boven het plateau, wordt een tweede sterke stijging van de helling van de isotherm waargenomen tot de ineenstorting van de film bij een oppervlaktedruk van 37 mN / m dat overeenkomt met een gemiddeld moleculair gebied van 17 Å 2. Een grafiek van de samendrukbaarheid modulus versus de oppervlaktedruk hadden de oude toe tot waarden van Cs -1> 100 mN / m, zelfs bij oppervlaktedrukken zo laag als 1-9 mN / m. Dit wordt gevolgd door een daling van de modulus in het horizontale gedeelte en een verdere toename na waarden van Cs -1> 300 mN / m uptot de ineenstorting van de film. Controle op de laag (3) met een oppervlaktedruk van 8 mN / m vertoont geen verandering in het overeenkomstige oppervlak (figuur 2c). Bij een oppervlaktedruk van 23 mN / m boven het plateau in de isotherm echter een aanzienlijke vermindering van het oppervlak optreedt in de loop van 45 min (figuur 2d).

De zelf samengestelde monolaag op het oppervlak drukken onder het plateau in de isotherm wordt gekenmerkt door het opnemen infraroodreflectie absorptie (IRRA) spectra (figuur 3). De IRRA spectra aan het oppervlak druk van 1-8 mN / m Toon brede banden bij 3600 en 1670 cm -1 die voortvloeien uit het OH rekken en respectievelijk trillingen van water buigen. Bovendien wordt een band bij 2350 cm -1 opgemerkt dat afkomstig is van onvoldoende compensatie van het koolstofdioxide signaal (figuur 3a). Next deze achtergrondsignalen de spectra beeldscherm banden bij 2919 en 2849 cm -1 overeenkomt met de asymmetrische en symmetrische CH 2 rektrillingen van de dodecyl resten amfifiel (3) (figuur 3b). De posities van deze banden dienen als kwalitatieve markers voor de conformatie volgorde van de alkyl residuen in monolagen op het lucht-water grensvlak 45,51. Bovendien banden bij 2200 en 2171 cm -1 worden opgemerkt dat kan worden toegewezen aan de C = C strekken trillingen van de hexayne eenheid (figuur 3c). De IRRA spectra niet veranderen tijdens samendrukking van de laag op verschillende oppervlakte drukken onder het plateau in de isotherm.

De carbonisatie wordt bewaakt door IRRA spectroscopie en de evolutie van de oppervlaktedruk wordt gevolgd door middel van de vlaktedruk microbalans (figuur 4). Een comparisop de IRRA spectra voor en na UV bestraling blijkt dat de vibrerende band verbonden aan de hexayne eenheden (ν (C = C)) bij 2200 en 2172 cm -1 volledig is verdwenen na 40 min bestraling (figuur 4c). Tegelijkertijd, de asymmetrische en symmetrische methyleen rektrillingen bij 2919 en 2849 cm -1 afname in intensiteit en verschuiving naar frequenties van 2924 en 2855 cm -1, respectievelijk (figuur 4b). Bovendien, de OH groep van de subfase (ν (OH)) en 3600 cm -1 aanzienlijk verminderd is tijdens bestraling (figuur 4a). De gegevens van de oppervlaktedruk microbalans blijkt dat, wanneer de barrières worden vastgesteld na compressie van de monolaag tot 8 mN / m en de UV-straling wordt gestart, de oppervlaktedruk snel toe dan waarden van 27 mN / m in de loop van de carburatoronization proces.

Films overgebracht naar saffier substraten na UV veroorzaakte verkoling vertonen een brede kenmerkloze absorptie bij golflengtes tot 550 nm in de respectievelijke UV / Vis-spectrum (figuur 4e). Het hoofd absorberende piek van de koolstof nanosheets waargenomen bij ongeveer 260 nm, en de vergelijking met het spectrum van de monolaag voor de bestraling bevestigt de volledige omzetting van de hexayne resten. Brewster angle microfoto (figuur 5) en scanning elektronenmicroscopie (SEM) beelden dienen als middel om het verkregen koolstof nanosheets zichtbaar (figuur 6). Terwijl Brewster hoek microfoto van een monolaag van de amfifiele (3) gecomprimeerd tot 8 mN / m tonen een film met onvolkomenheden of holten zoals aangegeven door de zwarte gebieden (figuur 5a), de beelden van de laag na vercooksing verkregen door UV-bestraling dispreiden een duidelijke verandering in de structuur van de film (figuur 5b, c). Na breuk van het blad eilanden blijven zweven in de lucht-water interface (Figuur 5d). Elektronenmicroscopie toont nanosheets na Langmuir-Schäfer transfer naar een essen carbon TEM net als ondersteuning. De nanosheets zijn mechanisch stabiel genoeg om de micrometer-sized gaten in een TEM rooster (figuur 6a-d) overspannen. Een lichte contrast waargenomen tussen gebieden bedekt met de koolstof nanosheet en anderen bij een versnellend voltage van 2,0 kV (Figuur 6a, de donkere vlek zichtbaar in het beeld ontstaat van de kleine werkafstand leidt tot een schaduweffect bij lage vergrotingen). Beelden die op dezelfde positie markeert de invloed van de versnellende spanning, als de koolstofbron nanosheet ondoorzichtig de elektronenbundel op ongeveer 0,5 kV, en het koolstofatoom nanosheet laat draperen en rimpels op de rand (figuur 6b, c). De film is anders zeer glad en gelijkmatig verdeeld over het rooster verder van het grensgebied (Figuur 6d, het defect in het steunrooster helpt bij het ​​identificeren van de carbon nanosheet).

Figuur 1
Figuur 1: (A) Synthese van de hexayne amfifiel (3) Door de sequentiële bromering 52,53 en Pd-gekatalyseerde verlenging van het alkyn 30,31 segment. Reagentia en omstandigheden: (i) 1,4-bis (trimethylsilyl) buta-1,3-diyn, MeLi · LiBr, ZnCl2, PdCl2 (dppf) · DCM, THF / tolueen, 71%; ii) AGF NBS, MeCN; vervolgens 1-trimethylsilyloctadeca-1,3,5-triyne 7, MeLi · LiBr, ZnCl2, PdCl2 (dppf) · DCM, THF / tolueen, 23% over twee stappen; (Iii) NaOMe, DCM, MeOH, kwantitatief. (< strong> b) Het 13C NMR-spectrum van de hexayne amfifiel (3) met twaalf acetyleen carbon resonanties (oranje) en (c) de betrokken UV / Vis-spectrum. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 2
Figuur 2: Onderzoek van de hexayne amfifiel (3) en het lucht-water grensvlak (a) Het oppervlak drukgebied isotherm en (b) de plot van de samendrukbaarheid modulus van de film geven een directe overgang van een gas-analoog fase. een gecondenseerde fase. (C) een laag wordt gecomprimeerd tot 8 mN / m en (d) 23 mN / m, en de ontwikkeling van het oppervlak wordt gecontroleerd bij constante oppervlaktedruk. OM / files / ftp_upload / 53505 / 53505fig2large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 3
Figuur 3: infrarood reflectie-absorptie (IRRA) spectra van de film van de hexayne amfifiel (3) (40 °, p -polarized licht) gecomprimeerd tot drukken tussen 1 mN / m (zwarte lijn) en 8 mN / m oppervlakte (licht blauwe lijn). (a) het spectrum prominente banden bij 3600 en 1670 cm -1 uit het water subfase evenals de piek rond 2350 cm -1 vanwege onvoldoende kooldioxide compensatie. (B) het spectraalgebied volgens de methyleen rektrillingen en (c) de band van de hexayne eenheid. 05 / 53505fig3large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 4
Figuur 4: Onderzoek van de verkoling van een film van de reactieve, koolstofrijke amfifiel 3. (A) IRRA spectra geregistreerd vóór (blauwe lijn) en na 40 min (rode lijn) van de UV-straling. (B) het spectraalgebied volgens de methyleen rektrillingen en (c) de band van de hexayne eenheid. (D) Met een constante oppervlakte vaste hindernissen, wordt een aanzienlijke verhoging van de vlaktedruk die tijdens verkoling. (E) UV / Vis spectra van bestraalde films in vergelijking met een niet-verkoold film (3) tonen een brede en kenmerkloze absorptie bij golflengtes tot 600 nm.OM / files / ftp_upload / 53505 / 53505fig4large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 5
Figuur 5: Brewster angle microscopie (BAM) experimenten met een film van amfifiel 3 bij de lucht-water grensvlak voor en na verkoling door UV-bestraling (a) Microfoto van een monolaag (3) gecomprimeerd tot 8 mN / m.. (B) na UV-bestraling, een duidelijke verandering in de textuur van de film wordt waargenomen dat (c) wordt homogener nadat men de film groeien door het openen van de barrières. (D) Breuk van de verkoolde plaat door manipulatie met een naald verlaat eilanden drijvend op de lucht-water interface. Klik hier om te zien een grotere version van dit cijfer.

figuur 6
Figuur 6:. Scanning elektronenmicroscopie (SEM) van een koolstof nanosheet na Langmuir-Schäfer overdracht naar een essen koolstof TEM rooster als drager (a) een gedeeltelijk raster afgebeeld in een versnellingsspanning van 2,0 kV. (B - c) De carbon nanosheet ondoorzichtig de elektronenbundel op ongeveer 0,5 kV. (D) van de rand, een gladde film gelijkmatig verspreidt het rooster. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De gewenste hexayne amfifiel (3) is rechtlijnig bereid door sequentiële bromering 52,53 en Pd-gekatalyseerde verlenging van het alkyn 30,31 segment, gevolgd door een laatste ontschermingsreactie van de tritylphenyl ester (2) (figuur 1a) 29. De succesvolle synthese wordt bevestigd door de 13 C NMR-spectrum (figuur 1b) en de UV-Vis-absorptiespectrum (figuur 1c) 31,54. Dit toont de gemakkelijke aard waardoor hogere oligoyne homologen kunnen worden bereid door de ontwikkelde synthesemethodologie 30,31. Het is echter belangrijk om de gevoeligheid van oligoyne derivaten in gedachten houden, en de opslag van verdunde raadzaam om de integriteit van de lange termijn. Bovendien moeten netjes verbindingen in het donker behandeld bij of beneden kamertemperatuur om een ​​voortijdige ontleding te voorkomen. Dit is van cruciaal belang voor debromotriyne tussenproduct dat in situ wordt bereid in de synthese van de hexayne ester (2), aangezien deze verbinding gemakkelijk dimeriseert in vaste toestand 41. De hexayne amfifiel (3) vormt omkeerbaar films op het lucht-water grensvlak (figuur 2a, b), ondergaat opeenvolgende overgangen van een gas-analoog fase twee gecondenseerde fasen door een plateau 55. Toezicht op de ontwikkeling van de oppervlakte in de tijd op een constante oppervlaktedruk aangetoond dat de films waren stabiel bij drukken onder het plateau (figuur 2c, d). Verkoling van de monolaag werd derhalve onderzocht op een oppervlaktedruk van 8 mN / m. Om reproduceerbare metingen van de oppervlakte drukgebied isotherm bereiken, een schone Langmuir trog opstart van het grootste belang.

IRRA spectra weergave bands voor de asymmetrische en symmetrische methyleen stretching vibraties bij 2919 en 2849 cm -1 all-trans toestand (figuur 3a, b) 45,51. De banden bij 2200 en 2171 cm -1 kunnen aan de C = C uitrekken trillingen van de hexayne eenheid (figuur 3c) worden toegewezen. Na UV bestraling van de zelf samengestelde monolaag, deze banden verdwijnen, hetgeen een vrijwel volledige omzetting (figuur 4a-c). De methyleen stretching vibraties te verschuiven naar frequenties van 2924 en 2855 cm -1 (figuur 4b), wat aangeeft dat de dodecyl ketens ondergaan een conformationele verandering naar een vloeistof geëxpandeerd, ongeordende (gauche) staat 45,51. Een significante toename van de vlaktedruk optreedt gedurende de vercooksing bij een constante oppervlakte, hetgeen een laterale expansie van de laag na vercooksing (figuur 4d). Monolagen voor en na verkoling zijn dan transferred te saffier substraten. Anders dan de hexayne (3) in oplossing en de niet-bestraalde monolaag, de UV / Vis-spectrum van de verkoolde film vertoonde een brede kenmerkloze absorptie bij golflengtes tot 550 nm, verschaffen overtuigend bewijs van de uitgebreide vercooksing (figuur 4e) . De optische bandafstand van ongeveer 2,2 eV stelt derhalve de aanwezigheid van ten minste nanometergrootte domeinen van grafietkoolstof volgens studies verminderde grafeen oxidematerialen 56,57.

Brewster hoek microfoto van een monolaag van de amfifiele (3) alvorens verkoling een film met onvolkomenheden of holten tonen zoals aangegeven door de zwarte gebieden (figuur 5a). Daarentegen beelden van de monolaag na verkoling vertonen een meer homogene film met een gegolfde structuur (figuur 5b), zelfs na expansie van de grenzen van de Langmuir trog (figuur 5c).De verkoolde films kunnen worden verbroken door manipulatie met een naald, en de gescheurde eilanden blijven zweven in de lucht-water interface (Figuur 5d). Dit bevestigt de drastisch toegenomen mechanische stabiliteit van de films na verkoling. Bovendien SEM microfoto bevestigt de vorming van een dunne koolstof nanosheet verlengd met laterale afmetingen (figuur 6a-d).

Concluderend hebben we hierin gepresenteerd een nieuwe methode om kool nanosheets basis van de zelf-assemblage en daaropvolgende carbonisatie van amfifiele hexaynes de lucht-water grensvlak bereiden. Dit proces levert mechanisch stabiel gefunctionaliseerde carbon films die overeenkomsten met verminderde grafeen oxide, draagt ​​in de carbon structuur. De laterale afmetingen van de koolstof nanosheets worden slechts beperkt door het gebied van de Langmuir goot en vierkante centimeter sized nanosheet monsters bereid ongecompliceerd. Met name de gepresenteerde aanpak behaalt acomplete vercooksing bij kamertemperatuur, waarbij het ​​aanzienlijk onderscheidt van andere aanpakken voor koolstof nanomaterialen die kenmerkend afhankelijk procestemperaturen boven 800 ° C 18,58,59. Derhalve worden chemische functionele groepen behouden en een controle van de oppervlakte chemie van het koolstofatoom nanosheets kan worden bereikt door een zorgvuldige keuze van het amfifiele precursor moleculen. Wordt voorzien in overvloed aan mogelijke toepassingen van de bereiding van chemisch-selectieve substraten voor electronenmicroscopie om beschermende coatings, nieuwe elektrodematerialen en membranen.

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

Chemie oligoynes amfifielen zelf-geassembleerde monolagen lucht-water-interface kamertemperatuur carbonisatie nanosheets koolstof nanostructuren
Voorbereiding van de Carbon Nanosheets bij kamertemperatuur
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