Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Framställning av Carbon Nanosheets vid rumstemperatur

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

Tvådimensionella kol nanostrukturer dra till sig betydande uppmärksamhet på grund av de rapporterade utestående elektriska, termiska, liksom mekaniska egenskaper 1-5. Dessa material förväntas främja den tekniska utvecklingen inom polymerkompositer 6, energilagringsanordningar 7, och molekylär elektronik 8-10. Trots intensiva forskningsinsatser under de senaste åren har dock tillgång till större mängder väldefinierade kol nanomaterial är fortfarande begränsad, vilket försvårar genomförandet av storskaliga i tekniska tillämpningar 11,12.

Carbon nanomaterial är tillgängliga med antingen uppifrån och ner eller underifrånperspektiv. Typiska metoder såsom peeling tekniker 13 eller högenergetiska processer på ytor 14-16 erbjuder möjligheten att erhålla material med en hög grad av strukturell perfektion och mycket bra prestanda. Emellertid isolering och rening av the produkter är fortsatt utmanande och storskalig produktion av definierade nanostrukturerade material är svårt 12. Å andra sidan kan ett underifrånperspektiv användas som förlitar sig på användningen av molekylära prekursorer, deras arrangemang i definierade strukturer, och en efterföljande karbonisering som ger kol nanostrukturer 17-23. I detta fall, prekursorerna själva är mer komplexa och deras framställning kräver ofta flera syntessteg. Dessa metoder kan erbjuda en hög grad av kontroll över de kemiska och fysikaliska egenskaperna hos de resulterande materialen och kan ge en direkt tillgång till skräddarsydda material. Emellertid är omvandling av prekursorerna till kol- nanomaterial vanligen utförs vid temperaturer över 800 ° C, vilket leder till en förlust av den inbäddade kemisk funktionalisering 24-27.

De ovan nämnda begränsningarna har tagits upp i vår grupp med användning av högreaktiva oligoynes att Can omvandlas till kol nanomaterial vid rumstemperatur 28,29. I synnerhet, amfifiler innefattande en hydrofil huvudgrupp och en hexayne segment är åtkomliga genom en sekvens av bromering och palladiummedierad Negishi korskopplingsreaktioner 30,31. Omvandlingen av dessa prekursormolekyler till målstrukturen sker vid eller under rumstemperatur vid bestrålning med UV-ljus. Den höga reaktiviteten hos de oligoyne amfifilerna gör användningen av mjuka mallar, till exempel luft-vattengränsytan eller gränsytor vätska-vätska, möjlig. I tidigare undersökningar har vi framgångsrikt beredda vesiklar från lösningar av hexayne glykosid amfifiler 28. Tvärbindning av dessa vesiklar uppnåddes under milda betingelser genom UV-bestrålning av proverna. Dessutom har vi nyligen beredd självmonterade monolager från hexaynes med metylkarboxylatdelen huvudgrupp och en hydrofob alkyl- svans vid luft-vatten-gränssnitt i en Langmuir tråg. Den tätt packed molekylära prekursorer ades sedan rakt omvandlas till självbärande kol nanosheets vid rumstemperatur genom UV-bestrålning. I besläktade tillvägagångssätt definierade molekylära prekursorer har nyligen använts för framställningen av två-dimensionellt utökade nanosheets vid luft-vatten-gränsytan 32 till 38.

Syftet med detta arbete är att ge en kortfattad, praktisk översikt över den totala syntesen och tillverkningssteg som möjliggör framställning av kol nanosheets från hexayne amfifiler. Fokus ligger på den experimentella tillvägagångssätt och preparativa frågor.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Varning: Se till att konsultera relevant material säkerhetsdatablad (SDB) före användning av kemiska föreningar. Några av de kemikalier som används i dessa synteser är akut toxiska och karcinogena. Beredda nanomaterial kan ha ytterligare risker jämfört med deras bulk motsvarighet. Det är absolut nödvändigt att använda alla lämpliga säkerhetsåtgärder när du utför reaktioner (rök huva) och personlig skyddsutrustning (skyddsglasögon, handskar, laboratorierock, fullängds byxor, sluten tå skor). Om inget annat anges följande procedurer omfattar standard Schlenk-tekniker 39.

1. Beredning av Molecular prekursor 29,31

  1. Syntes av 4-tritylphenyl 10 (trimetylsilyl) deka-5,7,9-triynoate (1)
    Obs: De erforderliga föreningarna för den därefter beskrivna syntessteg kan rakt framställas enligt publicerade litteraturförfaranden 29,31. Tunt skikt chromatography (TLC) liksom kolonnkromatografi utförs i enlighet med standardlaboratorieförfaranden 39,40.
    1. Lös upp 1,4-bistrimethylsilylbutadiene (7,82 g, 40,3 mmol) i torr tetrahydrofuran (THF, 50 ml) i en inert atmosfär i ett Schlenk-rör utrustat med ett septum. Rör om blandningen och kyla den till en temperatur av 0 ° C genom nedsänkning av kolven i ett isbad.
    2. Tillsätt långsamt metyllitium litiumbromid-komplex (17,9 ml, 2,2 M i Et 2 O, 39,3 mmol) till denna lösning med en spruta. Avlägsna köldbadet och låt blandningen värmas upp till rumstemperatur och låt omröring i 30 min.
    3. Sänk ned Schlenk-rör i ett isbad och lösningen kyldes till en temperatur av 0 ° C. Tillsätt långsamt en lösning av zinkklorid (57,5 ml, 0,7 M i THF, 40,24 mmol) till den omrörda lösningen. Avlägsna köldbadet, låt lösningen värmas upp till rumstemperatur och rör om blandningen under ytterligare 30 min.
    4. I en Schlenk-kolv, Disperse palladiumkatalysatorn PdCl2 (dppf) DCM (1,60 g, 1,96 mmol) i torr toluen (300 ml) i en inert atmosfär, och tillsätt 4-tritylphenyl 6-bromohex-5-ynoat (10,0 g, 19,63 mmol). Kyla denna blandning till en temperatur av 0 ° C genom nedsänkning av Schlenk-kolv i ett isbad.
    5. Överför lösningen i Schlenk-rör innehållande zink acetylid till Schlenk-kolven innehållande bromoacetylene derivatet och palladiumkatalysatorn genom att använda en överföringskanyl. Låt blandningen under omrörning och övervaka reaktionen genom TLC 39. Överväga reaktionen fullständig efter TLC (DCM / n-heptan 2: 1; färgning med p anisaldehyd-lösning 39) indikerar att bromoacetylene derivatet (Rf: 0,64) konsumeras (efter ca 16 h).
    6. Späd reaktionsblandningen med dietyleter (Et 2 O) (300 ml) och överför det till en separationstratt. Tvätta den organiska fasen tre gånger med saturated ammoniumkloridlösning (300 ml) och en gång med mättad natriumkloridlösning (300 ml).
    7. Överför den organiska fasen från separationstratten till en Erlenmeyerkolv och torka den organiska fasen över natriumsulfat (100 g). Avlägsna natriumsulfatet genom filtrering och koncentrera den organiska fasen i vakuum.
    8. Rena den råa produkten genom kolonnkromatografi 40 (kiselgel; diklormetan / n-heptan 1: 1) för att erhålla den önskade produkten 1 (Rf: 0,33; 7,7 g, 71%) som ett Ijusbrunt fast material. Kontrollera renheten hos (1) genom ett H och 13 C {1 H} NMR-spektroskopi 29.
  2. Syntes av 4-tritylphenyl oktakosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate (2)
    Notera: Syntesen av 4-tritylphenyl oktakosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate 2 genomföres över två steg utgående från 4-tritylphenyl 10 (trimetylsilyl) deka-5,7,9-triynoate på grund av den observerade låga stabiliteten hos den mellanliggande triyne bromide 41.
    1. Lös upp 4-tritylphenyl 10- (trimetylsilyl) deka-5,7,9-triynoate 1 (2,00 g, 3,63 mmol) i torr diklormetan (DCM, 15 ml) i en inert atmosfär i en 100 ml Schlenk-kolv försedd med ett septum. Efter upplösning av föreningen, tillsätt torr acetonitril (MeCN, 15 ml).
    2. Skydda Schlenk-kolv från ljus med aluminiumfolie och tillsätt N-bromsuccinimid (679 mg, 3,81 mmol) samt silverfluorid (484 mg, 3,81 mmol). Rör om den resulterande blandningen i 8 timmar vid rumstemperatur och övervaka reaktionens fortskridande med TLC. Överväga reaktionen fullständig efter TLC (DCM / n-heptan 1: 1; detektion med p anisaldehyd-lösning 39 som färgämne) anger att utgångsmaterialet (1) (Rf: 0,33) konsumeras (efter ca 3 tim) .
    3. Späd reaktionsblandningen med DCM (30 ml) och överför till en separationstratt. Tvätta den organiskafas sex gånger med en 1 M vattenlösning av vätekloridlösning (60 ml) och en gång med en mättad vattenlösning av natriumklorid (60 ml).
    4. Överför den organiska fasen från separationstratten till en Erlenmeyerkolv och torka den organiska fasen över natriumsulfat (50 g). Filtrera den organiska fasen och koncentrera filtratet i vakuum till ca 10 ml, medan grundligt skyddar den mot ljus.
    5. Lägga torr toluen (20 ml) och koncentrera blandningen återigen i vakuum till en volym av ca 5 ml.
    6. Upplös 1-trimethylsilyloctadeca-1,3,5-triyne (2,28 g, 7,26 mmol) i torr THF (20 ml) i en inert atmosfär i en 100 ml Schlenk-rör utrustat med ett gummiseptum. Kyl lösningen till en temperatur av 0 ° C genom nedsänkning av Schlenk-rör i ett isbad.
    7. Tillsätt långsamt metyllitium litiumbromid-komplex (3,22 ml, 2,2 M i Et 2 O, 7,08 mmol) och hålla temperaturen hos blandningen vid0 ° C under 45 min.
    8. Till denna blandning, tillsätt långsamt en lösning av zinkklorid (10,37 ml, 0,7 M i THF, 7,26 mmol). Efter avslutad tillsats, rör om den resulterande blandningen under ytterligare 45 min.
    9. Parallellt dispergera palladiumkatalysatorn PdCl2 (dppf) DCM (296 mg, 0,36 mmol) i torr toluen (100 ml) i en inert atmosfär i en 500 ml Schlenk-kolv försedd med ett gummiseptum. Kyl blandningen till en temperatur av 0 ° C genom nedsänkning av kolven i ett isbad.
    10. Tillsätt långsamt n-butyllitium (0,29 ml, 2,5 M i n-hexan, 0,73 mmol) till dispersionen av palladiumkatalysatorn i torr toluen. Avlägsna isbadet efter fullbordad tillsats, rör om blandningen under 10 min vid rumstemperatur, och därefter kyla den till en temperatur av 0 ° C.
    11. Lägga den koncentrerade toluenlösningen innehållande 4-tritylphenyl 10-bromodeca-5,7,9-triynoate (10 ml, 3,63 mmol) genom en spruta samtidigt med zink acetylid sålution (se ovan), som tillsätts genom en överföringskanyl från Schlenk-rör. Skydda kolven med reaktionsblandningen från ljus med aluminiumfolie.
    12. Övervaka reaktionens framskridande med TLC (DCM / n-heptan 1: 1; detektion med p anisaldehyd lösning 39 som färgämne). Efter fullständig förbrukning av 4-tritylphenyl 10-bromodeca-5,7,9 triynoate (Rf: 0,34; efter ca 48 h), späd blandningen med Et 2 O (100 ml) och överför till en separationstratt. Tvätta den organiska fasen tre gånger med en mättad vattenlösning av ammoniumklorid (200 ml) och en gång med en mättad vattenlösning av natriumklorid (200 ml).
    13. Överför den organiska fasen till en Erlenmeyer-kolv och torka den över natriumsulfat (80 g). Filtrera den organiska fasen och koncentrera filtratet i vakuum.
    14. Rena den råa produkten genom kolonnkromatografi 40 (silica gel; DCM / n-heptan 1: 1) för isolering av 4-tritylphenyl oktakosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate (2) (Rf: 0,43; 0,60 g, 23%) som ett brunt fast material. Kontrollera renheten hos (2) genom ett H och 13 C {1 H} NMR-spektroskopi 29.
  3. Syntes av metyl-oktakosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate (3)
    1. Lös upp 4-tritylphenyl oktakosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate (2) (208 mg, 0,289 mmol) i DCM (15 ml) i en inert atmosfär i en 100 ml Schlenk-kolv, och tillsätt metanol ( 10 ml).
    2. Skydda kolven från ljus med aluminiumfolie och lägga natriummetanolat (31 mg, 0,578 mmol).
    3. Rör om den resulterande blandningen under 30 min vid rumstemperatur. Därefter, späd med DCM (15 ml), överför till en separationstratt, tvätta en gång med en 1 M vattenlösning av vätekloridlösning (30 ml), och en gång med mättad vattenhaltig natriumkloridlösning (30 ml).
    4. Överföra den organiska fasen i en Erlenmeyer-kolv och torka den över natriumsulfat (30 g). Filtrera den organiska fasen och koncentrera filtratet i vakuum.
    5. Rena den råa produkten genom kolonnkromatografi 40 (silikagel; DCM / n-pentan 1: 1) för att isolera metyl oktakosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate (3) (Rf: 0,62) som en gul lösning. Lagra en produkt av denna reaktion som en utspädd DCM-lösning (10 ml) för att minimera varje nedbrytning.
    6. Överföra ungefär 3 ml av förrådslösningen till ett brunt glas, rundbottnad kolv och tillsätt CDCI3 (5 ml). Koncentrera lösningen till ca 1 ml i vakuum, tillsätt CDCI3 (5 ml), och koncentrera lösningen till ca 1 ml i vakuum. Utföra ett H och 13 C {1 H} NMR-spektroskopi med denna lösning för att kontrollera renheten hos (3) 29.
  4. Frystorkning avMethyl Ester och framställning av en stamlösning
    1. Bered en förrådslösning av definierad koncentration (c = 1 mM) för experiment vid luft-vatten-gränsytan. Överför en bråkdel av utspädd lösning av metyl oktakosa-5,7,9,11,13,15-hexaynoate i DCM till en tarerad 50 ml brun glasrundkolv och koncentrera lösningen till ca 1 ml i vakuum.
    2. Anslut kolven till en vakuumledning och sänk ned kolven i flytande kväve för att frysa den koncentrerade lösningen. Efter det att blandningen har fullständigt stelnat, anbringa vakuum (ca 5 x 10 -3 mbar) till kolven och avlägsna kolven från det flytande kvävet.
    3. Efter fullständigt avlägsnande av kvarvarande lösningsmedel, väga kolven under avskärmning mot ljus. Bered en förrådslösning av definierad koncentration c = 1 mM genom tillsats av den lämpliga mängden av kloroform. Skydda stamlösningen från ljus och förvara den vid en temperatur på -15 ° C.

    2. Film Bildandet av Hexayne amfifilen på Air-vatten-gränssnitt

    Obs: Alla experiment på luft-vatten-gränssnitt genomförs med dator gränssnitt polytetrafluoretylen Langmuir tråg med en (eller två) hinder. Trågen är utrustade med ett yttryck mikrovåg med ett filterpapper Wilhelmy plattan. En extern termostat används för att hålla temperaturen hos ultrarent vatten subfasen vid 20 ° C. Langmuir tråg är placerade i en sluten låda för att undvika kontaminering av gränssnittet. Innan mätningarna utförs, är renheten hos den kala ytan kontrolleras av kompression. Allt begagnat experimentella Langmuir uppställningar kalibreras före användning genom att använda en två-punktskalibrering metod: den nakna vattenytan för 0 mN / m samt andra ordningens övergång från en lutande till ett icke vridet tillstånd av stearinsyra 42, som inte är känslig för temperaturförändringar i den använda tempure intervall. Detta säkerställer tillförlitliga och jämförbara mätningar.

    1. Mätning av yttrycket området Isotherm och bestämning av kompressibiliteten Modulus
      1. Använda en spruta för att försiktigt 100 pl av den utspädda förrådslösning av (3) i DCM / kloroform (c = 1 mmol / L) på ytan av den ultrarent vatten i en Langmuir tråg.
      2. Lämnar Langmuir tråg ekvilibrera under 15 min låta lösningsmedlet avdunsta.
      3. Komprimera skiktet med en konstant kompressionshastighet av 5 Å / (molekyl x min) genom att reducera ytarean för Langmuir tråg med hindren. Samtidigt mäta yttrycket med yttrycket mikrovåg utrustad med ett filterpapper Wilhelmy plattan. Fortsätta komprimeringen av skiktet tills en droppe i yttrycket indikerar kollapsen av filmen.
      4. Upprepa Isotherm mätningar yttrycket-området, som beskrivs i 2.1.1-2.1.3 två gångermed en ren Langmuir tråg för att säkerställa reproducerbarhet av resultaten.
      5. Bestämma kompressibilitet modul från isotermen av skiktet i enlighet med följande relation 43
        C s -1 = - A (∂ Π / ∂ A) T
        där A är den genomsnittliga molekyl området och Π yttrycket.
    2. Undersökning av stabiliteten av lagret under och ovanför platån i Isotherm
      1. Sprida en alikvot av 100 pl av den utspädda förrådslösning av (3) på ultrarent vatten i en Langmuir tråg.
      2. Lämnar Langmuir tråg ekvilibrera under 15 min låta lösningsmedlet avdunsta.
      3. Komprimera skiktet till ett yttryck av 8 mN / m med en konstant kompressionshastighet av 5 Å / (molekyl x min) genom att reducera ytarean för Langmuir tråg med hindren. Fortsätta komprimeringen av skiktet tills det uppmätta suransikte trycket når 8 mN / m och ställa de hinder, så att denna yta trycket hålls vid ett konstant värde.
      4. Övervaka utvecklingen av ytan som barriärer Langmuir tråg justera under loppet av 45 minuter för att upprätthålla en konstant yttryck av 8 mN / m.
      5. Komprimera skiktet till ett yttryck av 23 mN / m med en konstant kompressionshastighet av 5 Å / (molekyl x min) genom att ytterligare minska ytarean för Langmuir tråg med hindren. Ställa de hinder, så att yttrycket hålls konstant vid 23 mN / m.
      6. Övervaka utvecklingen av ytan som barriärer Langmuir tråg justera under loppet av 45 minuter för att upprätthålla en konstant yttryck av 23 mN / m.
    3. Karakterisering av Layer av Infrared Reflection-absorptionsspektroskopi
      Obs: För att spela in infraröd (IR) spektra, en FT-IR-spektrometer utrustad med en flytande kväve-kyld kvicksilver kadmiumtellurid (MCT) detektor användes och den senare är ansluten till en extern luft / vatten reflektion enheten. IR-strålen styrs av spektrometern och fokuseras på ultrarent vatten ytan av termostat Langmuir tråg. Ljus av p -polarization vid en infallsvinkel nedan (40 °) Brewster-vinkeln användes för mätningarna. Langmuir tråg för IR-mätningarna består av två avdelningar: i ett fack, provet monosystemet sprids, medan den andra avdelningen innehåller ultrarent vatten subfasen som referens. Ett datorstyrt skyttelsystem används för att flytta tråget, så att antingen provet eller referensfacket är upplyst. För att eliminera vattenånga signalen från spektra, beräkna enligt reflektions absorptionsspektrum att log (R / R 0), med den enda stråle reflektionsspektrum från referensfacket (R 0) som en bakgrund för enkelstråle reflektans spektrumav monoskiktet (R) från provutrymmet. Upprätthålla vattnets ångtryck konstant genom att placera hela experimentuppställning i en hermetiskt tillsluten låda. I alla experiment, använd en upplösning och skanner hastighet av 8 cm -1 och 20 kHz, respektive. Använd en stålgaller polarisationsfilter för att polarisera den infallande IR-strålen. Co-add spektra med p -polarized ljus över 400 scanningar. Utföra en baslinje-korrigering för att möjliggöra en jämförelse av spektra.
      1. Sprid en delmängd av 100 pl av den utspädda förrådslösning av (3) på ultrarent vatten i en Langmuir tråg innefattande en infraröd reflektions absorption (irra) spektroskopi setup.
      2. Lämnar Langmuir tråg ekvilibrera under 15 min låta lösningsmedlet avdunsta.
      3. Komprimera skiktet till ett yttryck av en mN / m med en konstant kompressionshastighet av 5 Å / (molekyl x min) genom att reducera ytarean för Langmuir tråg med hindren. Övervaka ytan pressure medelst yttrycket mikrovåg med ett filterpapper Wilhelmy plattan och ställa barriärer Langmuir tråget så att ett yttryck av en mN / m upprätthålls.
      4. Spela in ett IR-spektrum med p -polarized ljus vid en infallsvinkel av 40 ° 44,45.
      5. Komprimera skiktet vid en konstant kompressionshastighet av 5 Å / (molekyl x min) genom att ytterligare minska ytarean för Langmuir tråget med de barriärer så att yttryck av 3, sedan 5, och slutligen 8 mN / m erhålles såsom indikeras av yttrycket mikrovåg. Post-spektra med p -polarized ljus vid en infallsvinkel av 40 ° i var och en av dessa yttryck och samtidigt hålla den senare konstant 44,45.

    3. pyrolys av en Hexayne amfifil Mono vid rumstemperatur

    Notera: Alla experiment vid luft-vatten-gränsytan utförs såsom beskrivits ovan. UV irradiation utförs med användning av en 250 W gallium-dopad metallhalid UV-lampa (UV-light tekniken, Birmingham, Storbritannien). För carbonizations av filmer på luft-vattengränsytan, är rutan omsluter Langmuir tråg försiktigt bort eller öppnas på sidan, och lampan är placerad 50 cm från vattenytan samtidigt som luft-vatten gränsytan är täckt i kon av UV-ljus. Under belysning, är temperaturen på subfasen hålls vid 20 ° C med användning av termostat av Langmuir tråg. Alla karbonisering experiment utförs vid ett yttryck av 8 mN / m. Vid detta tryck en tät packning av amfifilerna säkerställes medan, på samma gång, visar monoskiktet en hög stabilitet.

    1. Undersökning av pyrolys av irra spektroskopi och Isotherm Mätning
      Obs: irra spektra registreras som beskrivits ovan 44,45.
      1. Sprida en alikvot av 100 pl av den utspädda förrådslösning av (3) på ultrarent vatten iLangmuir tråg innefattar en infraröd reflektions absorptionsspektroskopi (irra) setup.
      2. Lämnar Langmuir tråg ekvilibrera under 15 min låta lösningsmedlet avdunsta.
      3. Komprimera skiktet vid en konstant kompressionshastighet av 5 Å / (molekyl x min) genom att reducera ytarean för Langmuir tråget med de hinder, så att ett yttryck av 8 mN / m erhålles mätt genom yttrycket mikrovåg utrustad med ett filterpapper Wilhelmy platta. Ställa barriärer av Langmuir tråget så att ett yttryck av 8 mN / m upprätthålls.
      4. Spela in ett IR-spektrum med p -polarized ljus vid en infallsvinkel av 40 ° 44,45.
      5. Försiktigt bort lådan omsluter Langmuir tråg. Montera UV-lampan till ett stödstativ och placera den ca 50 cm från vattenytan samtidigt som gränssnittet är täckt i konen av UV-ljus.
      6. Efter att ha bekräftat att monoskiktet är fortfarandekomprimeras vid ett yttryck av 8 mN / m mätt med yttrycket mikrovåg, ställa hinder i Langmuir tråg så att de är fixerade vid den aktuella positionen.
      7. Exponera luft-vattengränsytan för UV-ljus. Stoppa bestrålningen genom att vrida lampan efter totalt 40 minuter bestrålning. Övervaka och registrera ändringen av yttrycket av yttrycket mikrovåg utrustad med ett filterpapper Wilhelmy plattan under hela bestrålningen.
      8. Bifoga Langmuir tråg i den förseglade lådan för att undvika kontaminering av gränssnittet. Lämna setup ekvilibrera under 30 min. Ställ in barriärer Langmuir tråg för att bibehålla yttrycket observeras av yttrycket mikrovåg efter bestrålning.
      9. Spela in ett IR-spektrum med p -polarized ljus vid en infallsvinkel av 40 ° 44,45.
    2. Undersökning av förkolnade film efter Brewster Angle mikroskopy
      Obs: Brewster vinkel mikroskopi (BAM) experiment utförs på en skräddarsydd dator gränssnitt Langmuir tråg i kombination med en Brewster vinkel mikroskop som beskrivs på annat håll 46,47. Yttrycket isotermer mäts kontinuerligt under loppet av mikroskopi experiment. Den laterala upplösningen är ungefär 4 pm med den anställde installationen. Enkel bildbehandling programvara används för att förbättra kontrasten av micrographs.
      1. Sprida en alikvot av 100 pl av den utspädda förrådslösning av (3) på ultrarent vatten i Langmuir tråg inriktade med Brewstervinkeln mikroskop.
      2. Lämnar Langmuir tråget till jämvikt under 15 minuter, vilket gör att lösningsmedlet avdunsta.
      3. Komprimera skiktet till ett yttryck av 8 mN / m med en konstant kompressionshastighet av 5 Å / (molekyl x min) genom att reducera ytarean för Langmuir tråg med hindren. Övervaka yttrycket medelst yt pressäker mikrovåg utrustad med ett filterpapper Wilhelmy plattan och ställa barriärer Langmuir tråget så att ett yttryck av 8 mN / m upprätthålls.
      4. Spela BAM micrographs på detta yttryck 46,47.
      5. Öppna försiktigt lådan omsluter Langmuir tråg. Montera UV-lampan till ett stödstativ och placera den ca 50 cm från vattenytan samtidigt som gränssnittet är täckt i konen av UV-ljus.
      6. Se till att monoskiktet fortfarande komprimeras vid ett yttryck av 8 mN / m och fixera läget för de barriärer av Langmuir tråg.
      7. Exponera luft-vattengränsytan för UV-ljus. Stoppa bestrålningen genom att vrida lampan efter totalt 40 minuter. Övervaka och registrera ändringen av yttrycket under loppet av bestrålningen.
      8. Spela BAM micrographs efter bestrålning 46,47.
      9. Använda en nål för att manipulera kolet nanosheet vid luft-vatten-gränsytan,och använda BAM att övervaka förflyttningen av kolet nanosheet. Att applicera tryck till kolet nanosheet leder till en bristning av arket.
      10. Spela BAM mikrofotografier av den uppbrutna arket 46,47.
    3. Langmuir-Blodgett Överföring av en Uncarbonized lager och en Carbon Nanosheet från luft-vatten gränssnitt till ett fast substrat
      Obs! Safir (Al 2 O 3) substrat städas före överföringen av en grundläggande piraya behandling och lagras i ultrarent vatten före användning 48. En pincett kopplade till en mekanisk arm placeras vertikalt ovanför en Langmuir tråg med ett lämpligt djup hålighet för Langmuir-Blodgett (LB) överföring av lager från luft-vattengränsytan 49. Om överföringen av en icke-förkolnade liksom en förkolnad Provet är avsett inom samma experiment, som beskrivs här, två par pincett måste fästas på den mekaniska armen vid olika höjder, så att ett substrat cen tas bort medan det andra substratet förblir nedsänkt i subfasen. Langmuir-Schäfer (LS) överföring utfördes manuellt med holey kol transmissionselektronmikroskop (TEM) nät som ett stöd 50.
      1. Installera två safirsubstrat med två par pincett, sänk substraten i subfasen och rengör luftvattengränsytan före spridning.
      2. spreds försiktigt en alikvot av 100 pl av den utspädda förrådslösning av (3) i DCM / kloroform på ultrarent vatten i Langmuir tråg.
      3. Lämnar Langmuir tråg ekvilibrera under 15 min låta lösningsmedlet avdunsta.
      4. Komprimera skiktet till ett yttryck av 8 mN / m med en konstant kompressionshastighet av 5 Å / (molekyl x min) genom att reducera ytarean för Langmuir tråg med hindren. Övervaka yttrycket genom yttrycket mikrovåg utrustad med ett filterpapper Wilhelmy plattan och ställa barriärerLangmuir tråget så att ett yttryck av 8 mN / m upprätthålls.
      5. För att överföra den icke-karboniserade monoskikt till ett safirsubstrat, underhålla monolagret vid ett yttryck av 8 mN / m såsom anges av yttrycket mikrovåg och dra den mekaniska armen upp med en hastighet av 1,2 mm / min tills den första substrat är helt bort från subfasen. Den andra substrat måste förbli nedsänkt i subfasen.
      6. Noggrant hämta det första substratet som bär icke-förkolnat skikt från pincett, lagra den under skydd från ljus och använder den för den avsedda tillämpningen när det behövs.
      7. Öppna försiktigt lådan omsluter Langmuir tråg. Montera UV-lampan till ett stödstativ och placera den ca 50 cm från vattenytan, samtidigt som gränssnittet är täckt i konen av UV-ljus.
      8. Se till att monoskiktet fortfarande komprimeras vid ett yttryck av 8 mN / m och fixera positioneringn av barriärerna.
      9. Exponera luft-vattengränsytan för UV-ljus. Stoppa bestrålningen genom att vrida lampan efter totalt 40 minuter bestrålning. Övervaka och registrera ändringen av yttrycket mätt med yttrycket mikrovåg under hela bestrålningen.
      10. För att överföra den förkolnade filmen till ett safirsubstrat, ställa hinder i Langmuir tråg så att yttrycket mätt efter bestrålning upprätthålls. Samtidigt hålla yttrycket konstant genom barriärerna av Langmuir tråg, dra tillbaka den mekaniska armen som håller substratet från gränsytan med en hastighet av 1,2 mm / min tills substratet är helt borttagen från subfasen.
      11. Noggrant hämta substratet som bär den karboniserade skiktet från pincett.
      12. Håll en Holey kol TEM galler med en pincett och utföra en manuell LS överföring av förkolnat skikt från luftvattengränsytan 50. låt than prov långsamt torka i en svag kväveström och utför svepelektronmikroskopi (SEM) avbildning.
      13. Rekord UV / Vis-absorptionsspektra för de icke-förkolnat skikt och kolet nanosheet på en UV / Vis-spektrometer vid en skanningshastighet av 400 nm per minut. Använder en tom safirsubstrat som referens.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Den 13 C-kärnmagnetisk resonans (NMR) -spektrum av det beredda prekursormolekylen 3 visar de 12 sp -hybridiserade kolatomerna i hexayne segmentet med de motsvarande kemiska förskjutningar av δ = 82-60 ppm (figur 1b). Dessutom är signalerna vid δ = 173 ppm och vid δ = 52 ppm tilldelad till karbonyl och metylkolet av estern, respektive. Signalerna mellan δ = 33-14 ppm tillskrivs de alifatiska kolen i dodecyl återstod. Motsvarande UV / Vis-absorptionsspektrum för 3 visar den karakteristiska vibronisk fina strukturen hos en hexayne (Figur 1c).

De filmbildande egenskaperna hos hexayne amfifilen (3) undersöks genom mätning av yttrycket området isoterm och genom att härleda de kompressibilitet moduler (Figur 2a-b). Komprimering av skiktet leder till en ökning av yttrycket vid en medelmolekyl yta på 24 Å 2 och isotermen har en brant sluttning. Dessutom är en starkt lutande platå region observeras mellan yttryck av 9 och 15 mN / m, vilket motsvarar medelmolekylområdena 22 och 18 A 2, respektive. Ovanför platån är en andra brant ökning av lutningen av isotermen observerats upp till en kollaps av filmen vid ett yttryck av 37 mN / m som svarar mot en medelmolekyl yta på 17 Å 2. Ett diagram över de kompressibilitet modul kontra yttrycket visar att de tidigare ökar till värden av Cg -1> 100 mN / m även vid yttryck så låga som 1-9 mN / m. Detta följs av en minskning av modulen i platåområdet, och en ytterligare ökning utöver värdena på Cg -1> 300 mN / m upptill en kollaps av filmen. Övervakning av skiktet av (3) vid ett yttryck av 8 mN / m visar ingen förändring i den motsvarande ytarean (Figur 2c). Vid ett yttryck av 23 mN / m ovanför platån i isotermen emellertid en betydande minskning av ytarean sker under loppet av 45 min (figur 2d).

Den självmonterat monoskikt vid tryck yta under platån i isotermen kännetecknas genom att registrera infraröd reflektion absorption (irra) spektra (figur 3). Den irra spektra på yttryck av 1-8 mN / m visar breda band vid 3600 och 1.670 cm -1 som uppkommer från OH stretching och böjning vibrationer vatten, respektive. Vidare är ett band vid 2,350 cm -1 observeras som härstammar från en otillräcklig kompensation av koldioxidsignalen (figur 3a). Next till dessa bakgrundssignaler, de spektra visnings band vid 2919 och 2,849 cm-1 som svarar mot den asymmetriska och symmetriska CH 2 stretching vibrationer hos dodecyl rester av amfifil (3) (figur 3B). Positionerna för dessa band fungerar som kvalitativa markörer för konforma ordning alkylrester i monolager vid luft-vatten-gränssnitt 45,51. Dessutom är banden vid 2200 och 2,171 cm -1 observeras som kan tilldelas till CsC sträcknings vibrationer hexayne delen (Figur 3c). Den irra spektra inte ändras vid kompression av lagret till olika yttryck under platån i isotermen.

Förkolningen Processen övervakas av irra-spektroskopi och utvecklingen av yttrycket följes medelst yttrycket mikrovåg (Figur 4). En comparispå av irra spektra före och efter UV-bestrålning visar att vibrationsbandet är associerad med de hexayne molekyldelar (ν (C = C)) vid 2.200 och 2,172 cm -1 har försvunnit fullständigt efter 40 min av bestrålning (Figur 4c). Samtidigt, den asymmetriska och symmetriska metylen sträckningsvibrationer vid 2,919 och 2,849 cm -1 minskning i intensitet och övergång till frekvenser av 2,924 och 2,855 cm -1, respektive (Figur 4b). Dessutom -1 OH-bandet för den subfasen (ν (OH)) vid 3600 cm signifikant minskar i intensitet under loppet av bestrålning (Figur 4a). Data från yttrycket mikrovåg visar att när hindren är fasta efter kompression av monoskiktet till 8 mN / m och UV-strålning startas ökar yttrycket snabbt bortom värden av 27 mN / m under den carbonization process.

Filmer som överförts till safirsubstrat efter UV-inducerad karbonisering visar en bred, odefinierbar absorption vid våglängder på upp till 550 nm i den respektive UV / Vis-spektrum (figur 4e). Den huvudsakliga absorptionstoppen för kol nanosheets observeras vid approximativt 260 nm, och jämförelsen med det spektrum av monoskiktet före bestrålning bekräftar fullständig omvandling av hexayne molekyldelar. Brewster vinkel mikrofotografier (Figur 5) och svepelektronmikroskop (SEM) bilder tjäna som ett medel för att visualisera de erhållna kol nanosheets (Figur 6). Medan Brewster vinkel mikrofotografier av ett monoskikt av amfifilen (3) komprimeras till 8 mN / m show en film med imperfektioner eller tomrum såsom indikeras av de svarta regionerna (figur 5A), bilderna av den erhållna efter karbonisering genom UV-bestrålning di skiktetsplay en tydlig förändring i texturen av filmen (figur 5b, c). Efter bristning av öarna plåt förblir flytande på luft-vattengränsytan (Figur 5d). Elektronmikroskopi visar nanosheets efter Langmuir-Schäfer överföring till en Holey kol TEM galler som stöd. De nanosheets är mekaniskt stabila nog att spänna hålen mikrometerstora i en TEM rutnät (Figur 6a-d). En lätt kontrast observeras mellan regioner som omfattas med kolet nanosheet och andra vid en accelererande spänning av 2,0 kV (figur 6a; den mörka punkten synliga i bilden härrör från den lilla arbetsavståndet leder till en skuggeffekt vid låga förstoringar). Bilder tagna vid samma position belysa inverkan av den accelerationsspänning, som kol- nanosheet blir opak för elektronstrålen på runt 0,5 kV, och kolet nanosheet visar drapering samt rynkor på sin kant (fig 6b, c). Filmen är annars mycket jämn och likformigt spridda över nätet längre bort från gränsområdet (figur 6d, defekten i galler hjälpmedel stöd att identifiera kol nanosheet).

Figur 1
Figur 1: (A) Syntes av den hexayne amfifilen (3) genom den sekventiella brome 52,53 och Pd-katalyserad töjning 30,31 av alkynen segmentet. Reagens och betingelser: (i) 1,4-bis (trimetylsilyl) buta-1,3-diyn, MeLi · LiBr, ZnCl2, PdCl2 (dppf) · DCM, THF / toluen, 71%; ii) AgF, NBS, MeCN; därefter 1-trimethylsilyloctadeca-1,3,5-triyne 7, MeLi · LiBr, ZnCl2, PdCl2 (dppf) · DCM, THF / toluen, 23% över två steg; (Iii) NaOMe, DCM, MeOH, kvantitativt. (< strong> b) 13 C NMR-spektrum av hexayne amfifilen (3) med tolv acetylen kolresonanserna (orange) och (c) motsvarande UV / Vis-spektrum. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 2
Figur 2: Undersökning av hexayne amfifilen (3) vid luft-vatten-gränsytan (a) yttrycket area isoterm och (b) handlingen i kompressibilitet modulen för filmen indikerar en direkt övergång från en gas-analog fas till. en kondenserad fas. (C) Ett skikt komprimeras till 8 mN / m, samt (d) 23 mN / m, och utvecklingen av ytarean övervakas vid konstant yttryck. om / filer / ftp_upload / 53505 / 53505fig2large.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3: IR reflektion-absorption (irra) spektra av filmen av hexayne amfifilen (3) (40 °, p -polarized ljus) komprimeras till yttryck mellan 1 mN / m (svart linje) och 8 mN / m (ljus blå linje). (a) fullt spektrum med framträdande band vid 3600 och 1.670 cm -1 från vattnet subfasen liksom topp runt 2350 cm -1 på grund av otillräcklig koldioxid ersättning. (B) Det spektrala området av metylen sträckningsvibrationer samt (c) de band som motsvarar den hexayne delen. 05 / 53505fig3large.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 4
Figur 4: Undersökning av förkolning av en film av den reaktiva, kolrika amfifil 3. (A) irra spektra registreras före (blå linje) och efter 40 min (röd linje) av UV-strålning. (B) Det spektrala området av metylen sträckningsvibrationer samt (c) de band som motsvarar den hexayne delen. (D) Med de hinder som fastställts till en konstant yta, är en betydande ökning i yttrycket observerats under pyrolys. (E) UV / Vis-spektra av bestrålade filmer i jämförelse med en icke-karboniserad film av (3) visar en bred och odefinierbar absorption vid våglängder på upp till 600 nm.om / filer / ftp_upload / 53505 / 53505fig4large.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 5
Figur 5: Brewster-vinkel mikroskopi (BAM) experiment med en film av amfifil 3 vid luft-vatten-gränsytan före och efter karbonisering genom UV-bestrålning (a) mikrograf av ett monoskikt av (3) komprimeras till 8 mN / m.. (B) Efter UV-bestrålning, är en tydlig förändring i texturen av filmen observerat att (c) blir mer homogen efter att ha tillåtit att filmen att expandera genom att öppna barriärerna. (D) Bristning av den förkolnade arket genom manipulation med en nål lämnar öar flyter på luft-vattengränsytan. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 6
Figur 6:. Svepelektronmikroskopi (SEM) av en kol nanosheet efter Langmuir-Schäfer överföring till ett holey kol TEM rutnät som stöd (a) En delvis täckt galler avbildad vid en accelererande spänning av 2,0 kV. (B - c) Kolet nanosheet blir opak för elektronstrålen på runt 0,5 kV. (D) från kanten, en jämn film sprider jämnt nätet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Den önskade hexayne amfifilen (3) är rakt framställas genom den sekventiella brome 52,53 och Pd-katalyserad töjning 30,31 av alkynen segmentet, följt av en slutlig deprotektionsreaktion av tritylphenyl estern (2) (figur 1a) 29. Den framgångsrika syntesen bekräftas av den 13 C-NMR-spektrum (figur 1b) samt UV-Vis-absorptionsspektrum (Figur 1c) 31,54. Detta visar den enkla naturen genom vilka högre oligoyne homologer kan framställas genom den utvecklade syntesmetodik 30,31. Det är dock viktigt att hålla känsligheten hos oligoyne derivat i åtanke, och deras lagring i utspädda lösningar är tillrådligt för att säkerställa långsiktiga integritet. Dessutom bör prydliga föreningar hanteras i mörker vid eller under rumstemperatur för att undvika varje för tidig sönderdelning. Detta är av avgörande betydelse förbromotriyne intermediär som framställs in situ i syntesen av hexayne ester (2), eftersom denna förening dimeriserar lätt i fast tillstånd 41. Den hexayne amfifil (3) bildar reversibelt filmer vid luft-vatten-gränsytan (figur 2a, b), som genomgår successiva övergångar från en gas-analog fas till två olika kondenserade faser åtskilda av en platå 55. Övervaka utvecklingen av ytarean över tiden vid en konstant yttryck visade att filmerna var stabila vid tryck under platån (figur 2c, d). Förkolningen av monoskiktet undersöktes därför vid ett yttryck av 8 mN / m. För att åstadkomma reproducerbara mätningar av yttrycket området isoterm, är en ren Langmuir tråg inställning av yttersta vikt.

Irra spektra display band för asymmetriska och symmetriska metylen sträckningsvibrationer vid 2919 och 2,849 cm -1 all-trans tillstånd (figur 3a, b) 45,51. Banden vid 2200 och 2,171 cm-1 kan tilldelas till de CsC sträcknings vibrationer hos hexayne del (figur 3c). Vid UV-bestrålning av den själv sammansatta monoskikt, dessa band helt försvinna, vilket tyder på en praktiskt taget fullständig omvandling (figur 4a-c). Metylen-sträckningsvibrationer övergå till frekvenser av 2,924 och 2,855 cm-1 (figur 4b), vilket indikerar att de dodecyl kedjorna undergår en konformationsändring till en vätska-expanderad, oordnad (gauche) tillstånd 45,51. En betydande ökning av yttrycket sker hela koksning vid en konstant yta, vilket tyder på en lateral expansion av lager på förkolning (figur 4d). Monolager före och efter förkolning är då transferred till safirsubstrat. Skiljer sig från den hexayne (3) i lösning och den icke-bestrålade monoskikt, UV / Vis-spektrum för den karboniserade filmen visade en bred, odefinierbar absorption vid våglängder på upp till 550 nm, vilket ger avgörande bevis för den omfattande karbonisering (figur 4e) . Den optiska bandgap av ungefär 2,2 eV föreslår således närvaro av minst nanometerstora områden av grafit kol, enligt studier av minskad grafen oxidmaterial 56,57.

Brewster-vinkeln mikrofotografier av ett monoskikt av amfifilen (3) innan karbonisering visar en film med imperfektioner eller tomrum såsom indikeras av de svarta regioner (figur 5a). Däremot bilder av monoskiktet efter karbonisering visa en mera homogen film med en korrugerad textur (figur 5b), till och med efter expansion av barriärerna i Langmuir tråg (figur 5c).De förkolnade filmer kan brytas genom att manipulera med en nål, och den uppbrutna öarna förblir flytande på luft-vattengränsytan (Figur 5d). Detta bekräftar den drastiskt ökad mekanisk stabilitet av filmerna efter karbonisering. Dessutom SEM micrographs bekräftar bildningen av en tunn kol nanosheet med utökade sidodimensioner (Figur 6a-d).

Sammanfattningsvis har vi här presenterat en ny metod för att framställa kol nanosheets baserade på självorganisering och efterföljande pyrolys av amfifila hexaynes vid luft-vattengränsytan. Denna process ger mekaniskt stabila funktion kol filmer som bär likheter med reducerad grafenoxid i sin kol struktur. De laterala dimensionerna på kol nanosheets begränsas endast av det område av Langmuir tråg och kvadratcentimeter stora nanosheet prover rakt framställas. Noterbart uppnår presenterade strategin acomplete koksning vid rumstemperatur, vilket skiljer den sig markant från andra tillvägagångssätt mot kol-nanomaterial som typiskt är beroende av processtemperatur över 800 ° C 18,58,59. Följaktligen är kemiska funktionella grupper bibehålls och en styrning av ytkemin hos kol nanosheets kan uppnås genom ett noggrant val av de amfifila prekursormolekyler. Vi förutser en uppsjö av potentiella tillämpningar från framställning av kemoselektiv substrat för elektronmikroskop för skyddande beläggningar, nya elektrodmaterial och membran.

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 själv monterade monolager luft-vatten gränsytan rumstemperatur förkolning nanosheets kol nanostrukturer
Framställning av Carbon Nanosheets vid rumstemperatur
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