Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Chemistry

Microfluïde-gebaseerde synthese van covalente organische kaders (COF's): een gereedschap voor de continue productie van COF-vezels en directe druk op een oppervlak

doi: 10.3791/56020 Published: July 10, 2017

Summary

Wij presenteren een nieuwe microfluïdische methode voor synthese van covalente organische kaders (COF's). We tonen aan hoe deze aanpak kan worden gebruikt om continue COF-vezels te produceren, en ook op 2D- of 3D-COF-structuren op oppervlakken.

Abstract

Covalente organische kaders (COF's) zijn een klasse van poreuze covalente materialen die vaak worden verwerkt als onbewerkbare kristallijne poeders. De eerste COF werd gerapporteerd in 2005 met veel inspanning gericht op de oprichting van nieuwe synthetische routes voor de voorbereiding ervan. Tot op heden zijn de meeste beschikbare synthetische methoden voor COF synthese gebaseerd op bulkmengsel onder solvothermische omstandigheden. Daarom is er steeds meer belangstelling voor het ontwikkelen van systematische protocollen voor COF-synthese die zorgt voor fijne controle over reactieomstandigheden en verbetering van de COF-verwerkbaarheid op oppervlakken, die essentieel zijn voor gebruik in praktische toepassingen. Hierin presenteren we een nieuwe microfluïdische methode voor COF synthese waarbij de reactie tussen twee bestanddelen bouwblokken, 1,3,5-benzeentricarbaldehyde (BTCA) en 1,3,5-tris (4-aminofenyl) benzeen (TAPB) Vindt plaats onder gecontroleerde diffusie omstandigheden en bij kamertemperatuur. Met behulp van een dergelijke aanpak geeft spons-achtig, crysDikke vezels van een COF materiaal, hierna genoemd MF-COF. De mechanische eigenschappen van MF-COF en de dynamische aard van de aanpak maken het mogelijk om continu MF-COF-vezels te produceren en hun directe druk op oppervlakken. De algemene methode opent nieuwe potentiële toepassingen waarbij geavanceerde afdrukken van 2D- of 3D-COF-structuren op flexibele of stijve oppervlakken vereist zijn.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Covalente organische kaders (COF's) zijn een gevestigde klasse van poreus en kristallijn materiaal waarin de organische bouwstenen stevig vastgehouden worden door covalente bindingen 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . COF's worden typisch gemonteerd volgens supramoleculaire chemische principes, waarbij de constituerende moleculaire bouwstenen selectief worden gereageerd om een ​​definitief en vooraf bepaald poreus samenstel te definiëren. Een dergelijke benadering laat de synthese van materialen toe met gecontroleerde en geordende structuur ( bijv . Met bepaalde poriedimensies) en samenstelling 3 , 6 , 7 , 8 . In vergelijking met andere poreuze materialen zijn COF's uniek omdat ze bestaan ​​uit lichte elementen (C, H, B, N en O) en hebben afstelbare poro Punten 1 , 5 . Geïnspireerd door deze unieke en intrinsieke kenmerken zijn COF's beoordeeld voor potentiële toepassing in chemische scheidingen 9 , gasopslag 10 en katalyse 11 , sensoren 12 , opto-elektronica 13 , schone energietechnologieën 14 en elektrochemische energie-inrichtingen 15 .

Tot op heden zijn de overgrote meerderheid van de methoden die gebruikt worden voor de bereiding van COF-materialen gebaseerd op solvothermische zelfkondensatie en co-condensatie reacties, waarbij hoge temperaturen en druk de standaard zijn. Hoewel COF's thermisch robuust zijn, hebben ze vaak een beperkte verwerkbaarheid, dwz COF's zijn meestal onoplosbare en onbewerkbare kristallijne poeders en dit beperkt hun gebruik aanzienlijk in een scala aan potentiële en praktische toepassingenSs = "xref"> 2 , 6 , 8 , 16 , 17 . Ondanks de opmerkelijke vooruitgang die bij COF synthese is geboekt, is een belangrijke uitdaging op het gebied van het ontwikkelen van een methode waarmee de bereiding van COF's in passende reactieomstandigheden ( bijvoorbeeld temperatuur en druk) kan worden ontwikkeld, waardoor de verwerkbaarheid ervan op oppervlakken kan worden vergemakkelijkt.

Recentelijk hebben studies aangetoond dat Shiff-base chemie kan worden gebruikt om een ​​imine-gebaseerde COF bij kamertemperatuur te synthetiseren. De COF produceerde, RT-COF-1, vormen als gevolg van de snelle en efficiënte reactie tussen 1,3,5-tris (4-aminofenyl) benzeen (TAPB) en 1,3,5-benzeentricarbaldehyde (BTCA) 17 1A ). De werkzaamheid van deze synthetische methode werd aangetoond door de directe druk van micron- en submicronpatronen van RT-COF-1 op zowel stijve als flexibele oppervlakken met lithografie ofInkjet printtechnieken. Meer recent, en gebruikmakend van microfluidica, hebben we een effectieve aanpak aangetoond voor de continue synthese van vezels van hetzelfde in iminen gebaseerde COF, hierna MF-COF 6 genoemd . In tegenstelling tot andere gerapporteerde synthetische benaderingen voor de opwekking van COF's 18 , maakte deze microfluïdische synthetische werkwijze de snelle synthese van MF-COF-vezels mogelijk bij omgevingstemperaturen en druk binnen enkele seconden. Bovendien, en door de mechanische stabiliteit van de gesynthetiseerde MF-COF-vezels, hebben we aangetoond hoe een dergelijke microfluïdische methode het directe afdrukken van 2D- en 3D-structuren op oppervlakken mogelijk maakt. Hieruit tonen wij aan dat deze methode kan worden gebruikt om COF structuren op verschillende oppervlakken te maken die verschillende chemische en fysische eigenschappen hebben. Wij zijn van mening dat deze nieuwe methode nieuwe wegen opent voor de goed gecontroleerde patronen en directe drukwerk van COF's in verschillende oriëntaties en op verschillende oppervlakken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. Master Mold Fabrication

  1. Voer de fotolithografische fabricage van een 4-inch siliciummastervorm uit zoals eerder beschreven 19 ; De meervorm die in deze studie wordt gebruikt is vervaardigd met hetzelfde protocol.
    OPMERKING: Microfluidische apparaten worden typisch vervaardigd door middel van een multi-step proces. De eerste stap is het ontwerp van het microfluidische kanaal met behulp van een conventionele tekensoftware. Vervolgens worden hoogwaardige filmfotomasken die het microfluidische netwerk bevatten, geproduceerd met een eigenschappenprecisie van ongeveer 5 μm. Vervolgens worden mastervorms vervaardigd op een 4-in siliconenwafel door middel van standaardfotolithografie technieken. SU-8, een negatieve fotoresist, wordt gebruikt voor de fabricage van de meestervormen in de huidige onderzoeken. De hoogte van de SU-8 structuren wordt gedefinieerd als 50 μm in onze apparaten. Tenslotte worden microfluïdische apparaten vervaardigd door direct een transparant polymeer, gewoonlijk polydimet, te gietenHylsiloxaan (PDMS), tegen de meervorm.

2. Fabricage van single-layer microfluidische apparaten

OPMERKING: Het protocol vereist een oven die bij 70 ° C werkt. De temperatuur van de oven moet bij 70 ° C gestabiliseerd worden voordat het fabricageprotocol wordt gestart. Lagere temperaturen kunnen leiden tot slecht gebonden en niet-functionele apparaten.

  1. Plaats de gefabriceerde meervorm in een uitdrogingsinrichting, uitgerust met een vacuümpomp. Giet dan 100 μl chloortrimethylsilaan in een glazen fles en plaats dit in de desiccator.
    OPMERKING: VOORZICHTIG! Chlortrimethylsilaan is een bijtende, gevaarlijke en giftige stof. Bijgevolg dienen alle behandelstappen onder een goed geventileerde afzuigkap te worden uitgevoerd, en er dienen geschikte beschermende brillen, handschoenen en laboratoriumjas te worden gedragen.
  2. Sluit de desiccator en zet onder vacuüm (in dit experiment, 51 mbar). Wacht minstens 1 uur om de afzetting van verdampte chlorotrimethyl te waarborgenSilaan op het oppervlak van de meervorm. Na 1 uur open de luchtklep van de desiccator voorzichtig open om de luchtdruk in evenwicht te brengen en open te maken.
    OPMERKING: VOORZICHTIG! Zodra de uitdrogingsinrichting is geopend, lekt chloortrimethylsilangamp uit; Adem niet direct boven de uitdrogingseenheid en doe dit altijd in een geventileerde afzuigkap.
  3. Neem de gesilaniseerde meervorm met de hand voorzichtig uit en sluit de droogmiddel. Bewaar de meervorm in een gesloten doos (of in een laminaire stroomkap) om afzetting van deeltjes op het oppervlak ervan te vermijden.
    OPMERKING: Alle vervolgstappen moeten worden uitgevoerd onder een laminaire stromende afzuigkap met een uniforme luchtsnelheid.
  4. Bereid een mengsel van PDMS prepolymeer en uithardingsmiddel (10: 0,9 in gewicht) in een wegwerpbeker en meng krachtig met een plastic spatel. Gebruik als gids een 20 g elastomeer en 1,8 g verhardingsmiddel om vier PDMS microfluidische apparaten ongeveer 5 mm dik te maken.
  5. Plaats de kop die de gemengde PD bevatMS in een uitdrogingsinrichting onder vacuüm om ontluchting te verwijderen en luchtbellen te verwijderen. Zodra de PDMS ontgassen is, open de desiccator en verwijder de beker.
    OPMERKING: In dit experiment duurt het ongeveer 30 minuten bij 51 mbar.
  6. Plaats vier vierkante frames zachtjes ( bijv . Polytetrafluorethyleen (PTFE) kaders met inwendige afmetingen van 24 mm x 24 mm) op de meervorm zodat elk een wand rond een enkele patroonstructuur op de meervorm vormt.
  7. Giet de afgegoten PDMS in de kaders en op de top van de meesterschimmel totdat het volledig is. Plaats de meesterschimmel met de gevulde vierkante frames in een oven bij 70 ° C gedurende 2 uur.
  8. Verwijder na 2 uur de meervorm uit de oven en laat het apparaat afkoelen tot kamertemperatuur.
  9. Schuif de gestructureerde PDMS-platen (of PDMS-chips) en de vierkante frames handmatig af door ze zorgvuldig van de meervorm af te scheiden en de PDMS-chips uit de vierkante frames te schuiven.
  10. Ponsinlaat- en uitlaatgaten met een 1,5 mm biopsie puncher bij deGevonden posities in het ontwerp, bijv . Aan het einde van de microfluïdische kanalen. Snijd de extra stukken PDMS en verwijder eventuele rommel uit het oppervlak van de gestructureerde PDMS-chips met kleefband.
  11. Plaats de PDMS-chips (met de open kanalen naar boven), evenals de glazen deklagen, in de kamer van een plasma-generator en sluit de kamer.
  12. Zet de plasma generator onder vacuüm (1,4 mbar hier); Zet de plasma generator gedurende 1 minuut aan.
  13. Na 1 min zet u de plasma-generator uit, ventilatie de kamer en haal de behandelde PDMS-chips en glazen deklagen uit. Verbind de PDMS-chips (van de kant met gestructureerde kanalen) en glazen deklagen om de kanalen te sluiten; Op dit moment worden de microfluïdische inrichtingen met een laag vervaardigd.
  14. Tenslotte, plaats de gebonden microfluïdische apparaten in een oven bij 70 ° C gedurende tenminste 4 uur om de binding tussen het PDMS en het glas in hoofdzaak te verbeteren.

3. VoorbereidenIon van de Microfluidic Set-up en Precursor Solutions

  1. Bereid een 0,040 M oplossing van BTCA in azijnzuur.
    OPMERKING: VOORZICHTIG! Zuurzuur is een gevaarlijke, corrosieve en brandbare verbinding en de damp is zeer irriterend voor de ogen en ademhalingswegen. Dienovereenkomstig moet de handeling in een afzuigkap worden uitgevoerd. Ook moet de gebruiker een beschermende laboratoriumjas, beschermbril en handschoenen dragen.
  2. Bereid een 0,040 M oplossing van TAPB in azijnzuur.
    OPMERKING: Het microfluïdische apparaat dat in de huidige experimenten wordt gebruikt, heeft vier inlaatkanalen ( Figuur 1B en Figuur 2 ).
  3. BTCA- en TAPB-oplossingen laden in twee verschillende spuiten (5 ml spuiten geladen met 3 ml oplossing hier). Plaats de spuitjes op een spuitpomp en bevestig deze aan de twee middeninlaten van de vervaardigde microfluïdische chip (één reagens per inlaat) met behulp van PTFE slang (0,8 mm binnendiameter).
  4. Plaats twee andere spuiten met pureAzijnzuur (hier 5 ml spuiten volledig geladen), plaats de spuitjes op de spuitpomp en bevestig ze aan de twee zijden inlaten van de microfluïdische chip met hetzelfde type PTFE-buis.
  5. Verbind een voldoende lange PTFE-buis (in het huidige experiment, ~ 15 cm) naar de uitlaat van de microfluïdische chip. Gebruik een computergestuurde spuitpomp om vloeistofstromen te motiveren zoals beschreven in de volgende stappen.

4. Continue synthese van MF-COF-vezels

  1. Met behulp van de injectiespuitpomp worden twee schede stromen van azijnzuur elk met een stromingssnelheid van 100 μl / min geïntroduceerd; De mantelstromen zijn gelegen aan de buitenzijde van de reagentiestromen ( Figuur 2 ).
  2. Wacht 1 minuut en injecteer de twee reagentia (TAPB en BTCA) via de twee middeninlaten (één reagens per inlaat) elk met een stromingssnelheid van 50 μl / min. Wacht 1 minuut tot stabiele stromen zijn vastgesteld.
  3. Let op de vorming van gele vezelachtige microstructuurUres die voorheen als MF-COF werden gekenmerkt door Fourier transform infrarood (FT-IR) spectroscopie, elementaire analyse en vaste toestand 13 C CP-MAS-NMR 6 ; Onder deze omstandigheden is de vorming van MF-COF niet continu.
  4. Verhoog de stromingssnelheid van TAPB en BTCA tot 200 μl / min en houd de twee schede stromen van azijnzuur bij 100 μl / min. Wacht nu 1 minuut tot de stroom stabiliseert. Let op de vorming van een sterk geconcentreerde suspensie van gele MF-COF vezels, die uiteindelijk tot verstopping van de uitlaat leidt.
  5. Aangezien de chip- en uitlaatpijp nu niet functioneel is, gebruik dan een nieuwe chip en berei het voor experiment volgens stap 3.3-3.6 voor.
  6. Introduceer twee schede stromen van azijnzuur elk met een stromingssnelheid van 100 μl / min en wacht 1 minuut. Stel de stromen van TAPB en BTCA elk op 100 μL / min en let op de vorming van een continue gele MF-COF-vezel.
  7. Plaats de uitlaat van de buis in een petrischaal met acetaatIjszuur. Plaats bijvoorbeeld 10 ml azijnzuur in een ronde glas Petri-schotel (60 mm in diameter). Zodra de gesynthetiseerde vezel de buis uitlaat aan de uitlaat van de microfluïdische inrichting, beweeg de buis over een oppervlak om de uitgang van de continue MF-COF-vezel te vergemakkelijken.

5. Directe afdrukken van 2D en 3D MF-COF structuren

OPMERKING: Aangezien de synthetische vezel mogelijk niet volledig homogeen is, moet de afzettingssnelheid worden aangepast om te zorgen dat het continu wordt afgedrukt.

  1. Bereid de microfluïdische opstelling zoals beschreven in sectie 3 en injecteer alle vier oplossingen elk met een stromingssnelheid van 100 μl / min.
  2. Wacht 1 minuut tot de stromen gestabiliseerd zijn en de gesynthetiseerde MF-COF-vezel verlaat de buis aan de uitlaat van het microfluïdische apparaat. Maak een schoon substraat naast de uitgang van de buis aan de uitlaat van het microfluïdische apparaat voor direct afdrukken van MF-COF-vezels.
    OPMERKING: In onze onderzoeken, 24 mmX 76 mm glazen deklagen werden gebruikt voor alle drukwerkzaamheden.
  3. Houd de buis verbonden met de uitlaat van het microfluïdische apparaat, zodat het uiteinde een paar millimeter boven de glazen deklaag is. Verplaats de buis langzaam over de glazen deklaag om de uitgang van de MF-COF-vezel te vergemakkelijken en vermijding van aggregaten te voorkomen.
  4. Zodra de stromen gestabiliseerd zijn, lig de buis langzaam aan de uitlaat van het microfluïdische apparaat ongeveer 2-3 cm van de glazen omhulsel om een ​​vrijstaande en stabiele MF-COF-vezel in acht te nemen.
  5. Om verder te gaan met afdrukken, breng de uitlaat van de buis terug naar de glazen deklaag en beweeg de buis op het oppervlak handmatig om de gewenste 2D- of 3D MF-COF-structuur te trekken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Het microfluïdische apparaat dat in ons onderzoek wordt gebruikt wordt vervaardigd met behulp van conventionele PDMS replica molding 20 en bevat vier microfluïdische inlaatkanalen die samenvoegen in een hoofd microkanaal. Het uiteindelijke microfluïdische apparaat bestaat uit een gestructureerde PDMS-laag en een glazen deklip die gebruikt wordt om de geïmprimeerde microkanalen te sluiten, zoals getoond in figuur 1B .

Figuur 1
Figuur 1: Moleculaire bouwstenen en het microfluïdische apparaat met een laag. ( A ) Chemische structuren van TAPB en BTCA. ( B ) Foto van het microfluïdische apparaat dat wordt gebruikt voor de synthese van COF-vezels. Klik hier om een ​​grotere versie van dit te zienfiguur.

De vier inlaat microfluidische kanalen zijn 50 μm hoog en 50 μm breed en convergeren in een hoofd microfluïdisch kanaal 50 μm hoog en 250 μm breed. De twee reagentiestromen (BTCA en TAPB beide in azijnzuur) worden geïnjecteerd in de twee middeninvoerkanalen, terwijl twee schede stromen van zuiver azijnzuur in de zijkanalen worden geïntroduceerd ( Figuur 2 , synthesezone). Al de vier stromen convergeren in het hoofdmicrofluïdische kanaal, waar de reactie plaatsvindt onder diffusiebeheersing. In dit werk worden alle vier de invoerstromen aangepast aan een stromingssnelheid van 100 μl / min. Deze voorwaarde zorgt voor de vorming van een continue MF-COF-vezel (met een productie snelheid van ongeveer 2 mg / min gedroogde MF-COF vezels) en anderzijds voorkomt verstopping van zowel het hoofdmicrofluïdische kanaal Evenals de buis aan de uitlaat van de microfluïdische inrichting. Zo'n geoptimaliseerde stroom cOndities zorgen voor de productie van een continue gele MF-COF-vezel met geschikte mechanische eigenschappen voor direct printen op oppervlakken ( figuur 2 , drukzone).

Figuur 2
Figuur 2: Schematische illustratie van de microfluïdische opstelling die wordt gebruikt voor de synthese van MF-COF-vezels. De synthese- en drukzones worden aangegeven. Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Onze vorige studie 6 biedt gedetailleerde chemische karakteriseringsstudies evenals thermische stabiliteitsanalyse van de synthetische MF-COF-vezels. Figuur 3 toont de verzwakte totale reflectie FT-IR (ATR-FT-IR) data an D poeder röntgen diffractie (PXRD) patronen van monomeren TAPB en BTCA alsmede MF-COF vezels. De ATR-FT-IR-metingen wijzen op het verdwijnen van NH-stretchbanden (3,300-3,500 cm -1 ) in de MF-COF-vezels en de verschijning van een nieuwe band die ligt op 1,689 cm -1 , wat overeenstemt met de vorming van de iminebinding. Bovendien vergelijken de PXRD data van MF-COF vezels goed met het gesimuleerde patroon. Interessant genoeg heeft de morfologische karakterisering van MF-COF aangetoond dat MF-COF verschilt van RT-COF-1 (gesynthetiseerd onder bulkomstandigheden) doordat MF-COF bestaat uit onderling verbonden micro- en nanovezels die 3D-sponsachtige poreuze organisaties vormen, terwijl RT-COF-1 vormt films die geen gedefinieerde microstructuren bevatten 17 . Dit morfologieverschil verklaart ook een opmerkelijke toename van N 2- adsorptie in MF-COF, zoals aangetoond door totale specifieke oppervlakten bepaald door Brunauer-Emmet-Teller (BET) analyses 6 .

_content "voor: keep-together.within-page =" 1 "> Figuur 3
Figuur 3: Chemische en structurele analyse van reagentia en MF-COF vezels. ( A ) ATR-FT-IR spectra van monomeren TAPB en BTCA alsmede MF-COF vezels. ( B ) PXRD patronen van MF-COF vezels (met een gesimuleerd patroon) en van TAPB en BTCA. Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Deze resultaten tonen aan dat COF's die zijn gesynthetiseerd met behulp van microfluidische reacties uniek zijn en dat MF-COF eigenschappen en prestaties niet kunnen worden bereikt met behulp van alternatieve synthetische benaderingen. De mechanische eigenschappen, afgeleid van de microscopische organisatie van MF-COF, maken het conformeren van MF-COF-vezels op oppervlakken mogelijk. Figuur 4

Figuur 4
Figuur 4: 2D en 3D MF-COF structuren op glasoppervlakken. Foto's van ( A ) schrijfproeven (met de woorden "ETH" en "3D COF"), evenals drukwerk van ( B ) tweedimensionale en ( C ) driedimensionale MF-COF structuren op glas. Schaalstaven = 1 cm. Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Bovendien zorgen de mechanische eigenschappen van de gesynthetiseerde MF-COF-vezels, samen met de eenvoud en flexibiliteit van de drukbenadering, voor de conTrolled depositie van MF-COF op verschillende flexibele en stijve substraten. Zoals geïllustreerd in figuur 5 kan MF-COF op verschillende oppervlakken worden gedrukt, zoals glas, tissuepapier, karton, aluminiumfolie en polystyreen.

Figuur 5
Figuur 5: Afdrukken van MF-COF vezels op verschillende substraten. Foto's van MF-COF gedrukt op ( A ) glas, ( B ) weefselpapier, ( C ) karton, ( D ) aluminiumfolie en ( E ) polystyreenoppervlakken. Alle schaalbalken zijn 1 cm. Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

De hier beschreven microfluidische synthetische methode biedt een nieuwe en eenvoudige aanpak voor directe druk van COF-materialen op oppervlakken. Synthese wordt uitgevoerd onder gebruikmaking van een enkelvoudige microfluïdische inrichting, bestaande uit een microfluïdische PDMS-chip die gebonden is aan een glazen deklaag. De fabricage van het microfluïdische apparaat kan worden bereikt door middel van conventionele afgifte van PDMS tegen een siliciummestervorm en daarna binding van de PDMS met de geïmprimeerde microkanalen tegen een glazen deklip.

Voor de succesvolle montage van het microfluïdische apparaat is het belangrijk om de meervorm in een cleanroom omgeving te fabriceren om vervuiling en gebreken tijdens fotolithografie te vermijden. Als gevolg van ongeschikte omstandigheden zullen defecte meestervormen leiden tot niet-functionele microfluïdische apparaten. Daarnaast is de verhouding van PDMS prepolymer aan verhardingsmiddel, dat de stijfheid van het PDMS controleert, geoptimaliseerd om robuuste PDMS devi te fabricerenCes die nog voldoende elasticiteit hebben. De elasticiteit van de PDMS-chip is belangrijk om de stabiele invoeging van PTFE-buizen in de inlaat- en uitlaatgaten van de microfluïdische inrichting te vergemakkelijken.

De laminaire stromingsomstandigheden die aanwezig zijn in microfluïdische inrichtingen zorgen voor een fijne controle over de chemische reacties die plaatsvinden bij de interface tussen co-stromende reagentiestromen. Het geavanceerde mengen van regenten die in microfluïdische toestellen worden vergemakkelijkt draagt ​​bij tot de vorming en isolatie van micro- en nanostructuren die niet toegankelijk zijn via andere synthetische methoden 6 , 21 , 22 , 23 . In de huidige studie tonen we ook aan dat microfluidische synthese kan leiden tot de vorming van 3D sponsvormige COF-materialen met onderling verbonden vezelachtige microstructuren, die verschillen van die welke worden verkregen bij conventionele bulk-synthetische methoden.

6 . De microfluïdische synthese vergemakkelijkt echter de vorming van een macroscopische en poreuze MF-COF-vezel die continu op verschillende oppervlakken kan worden afgedrukt. Deze nieuwe methode voor synthese en direct print zorgt voor nieuwe kansen in COF-onderzoek.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

De auteurs erkennen de Zwitserse National Science Foundation (SNF) voor financiële ondersteuning via projectnummer. 200021_160174.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
High resolution film masks Microlitho, UK - Features down to 5um
Silicon wafers Silicon Materials Inc., Germany 4" Silicon Wafers Front surface: polished, back surface: etched
Silicone Elastomer KIT (PDMS) Dow Corning, USA Sylgard 184 -
Chlorotrimethylsilane Sigma-Aldrich, Switzerland 386529 ≥97%, CAUTION: Handle it only under fume hood.
Biopsy puncher Miltex GmBH, Germany 33-31A-P/25 1.5 mm
Glass coverslip Menzel-Glaser, Germany BB024040SC 24 mm × 40 mm, #5
Plasma generator instrument Diener Zepto B Frequency: 40 kHz and plasma generator power: 0-30 W
PTFE tubing PKM SA, Switzerland AWG-TFS-XXX AWG 20TFS, roll of 100 m
neMESYS Syringe Pumps Cetoni GmbH, Germany Low Pressure (290N) -
Disposable Cup Semadeni, Switzerland 8323 PS, 200 ml
Plastic Spatula Semadeni, Switzerland 3340 L × W : 135 mm x 14 mm
Disposable Scalpels B. Braun, Switzerland 233-5320 Nr. 20
Disposable Syringes VWR, Switzerland 613-3951 5 ml, Discardit II
Acetic Acid Sigma-Aldrich, Switzerland 695092-500 >=99.7%, CAUTION: Handle it only under fume hood.
1,3,5-benzenetricarbaldehyde Aldrich-Fine Chemicals 753491 97%
1,3,5-Tris(4-aminophenyl)benzene Tokyo Chemical Industry T2728-5G >93.0%

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Cote, A. P., et al. Porous, crystalline, covalent organic frameworks. Science. 310, 1166-1170 (2005).
  2. Ding, S. Y., Wang, W. Covalent organic frameworks (COFs): from design to applications. Chem Soc Rev. 42, 548-568 (2013).
  3. Huang, N., Wang, P., Jiang, D. L. Covalent organic frameworks: a materials platform for structural and functional designs. Nat Rev Mater. 1, 16068 (2016).
  4. Xu, H., Gao, J., Stable Jiang, D. L. crystalline, porous, covalent organic frameworks as a platform for chiral organocatalysts. Nat Chem. 7, 905-912 (2015).
  5. Wan, S., Guo, J., Kim, J., Ihee, H., Jiang, D. L. A Belt-Shaped, Blue Luminescent, and Semiconducting Covalent Organic Framework. Angew Chem Int Edit. 47, 8826-8830 (2008).
  6. Rodriguez-San-Miguel, D., et al. Crystalline fibres of a covalent organic framework through bottom-up microfluidic synthesis. Chem Commun. 52, 9212-9215 (2016).
  7. Bisbey, R. P., DeBlase, C. R., Smith, B. J., Dichtel, W. R. Two-dimensional Covalent Organic Framework Thin Films Grown in Flow. J Am Chem Soc. 138, 11433-11436 (2016).
  8. Spitler, E. L., Dichtel, W. R. Lewis acid-catalysed formation of two-dimensional phthalocyanine covalent organic frameworks. Nat Chem. 2, 672-677 (2010).
  9. Keskin, S. Adsorption, Diffusion, and Separation of CH4/H-2 Mixtures in Covalent Organic Frameworks: Molecular Simulations and Theoretical Predictions. J Phys Chem C. 116, 1772-1779 (2012).
  10. Tilford, R. W., Mugavero, S. J., Pellechia, P. J., Lavigne, J. J. Tailoring microporosity in covalent organic frameworks. Adv Mater. 20, 2741-2746 (2008).
  11. Hasegawa, S., et al. Three-dimensional porous coordination polymer functionalized with amide groups based on tridentate ligand: Selective sorption and catalysis. J Am Chem Soc. 129, 2607-2614 (2007).
  12. Das, G., et al. Chemical sensing in two dimensional porous covalent organic nanosheets. Chem Sci. 6, 3931-3939 (2015).
  13. Guo, J., et al. Conjugated organic framework with three-dimensionally ordered stable structure and delocalized pi clouds. Nat Commun. 4, 2736 (2013).
  14. Furukawa, H., Yaghi, O. M. Storage of Hydrogen, Methane, and Carbon Dioxide in Highly Porous Covalent Organic Frameworks for Clean Energy Applications. J Am Chem Soc. 131, 8875-8883 (2009).
  15. Xu, F., et al. Electrochemically active, crystalline, mesoporous covalent organic frameworks on carbon nanotubes for synergistic lithium-ion battery energy storage. Sci Rep-Uk. 5, 8225 (2015).
  16. El-Kaderi, H. M., et al. Designed synthesis of 3D covalent organic frameworks. Science. 316, 268-272 (2007).
  17. Ruigomez, A. D., et al. Direct On-Surface Patterning of a Crystalline Laminar Covalent Organic Framework Synthesized at Room Temperature. Chem Eur J. 21, 10666-10670 (2015).
  18. Segura, J. L., Mancheno, M. J., Zamora, F. Covalent organic frameworks based on Schiff-base chemistry: synthesis, properties and potential applications. Chem Soc Rev. 45, 5635-5671 (2016).
  19. Abrishamkar, A., et al. Microfluidic Pneumatic Cages: A Novel Approach for In-chip Crystal Trapping, Manipulation and Controlled Chemical Treatment. J Vis Exp. (113), e54193 (2016).
  20. Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J. A., Whitesides, G. M. Rapid prototyping of microfluidic systems in poly(dimethylsiloxane). Anal Chem. 70, 4974-4984 (1998).
  21. Rubio-Martinez, M., et al. Freezing the Nonclassical Crystal Growth of a Coordination Polymer Using Controlled Dynamic Gradients. Adv Mater. 28, 8150-8155 (2016).
  22. Liu, H., et al. A Catalytic Chiral Gel Microfluidic Reactor Assembled via Dynamic Covalent Chemistry. Chem Sci. 6, 2292-2296 (2015).
  23. Puigmarti-Luis, J., et al. Stepwise Template Growth of Functional Nanowires from an Amino Acid-Supported Framework in a Microfluidic Chip. ACS Nano. 8, (1), 818-826 (2014).
Microfluïde-gebaseerde synthese van covalente organische kaders (COF's): een gereedschap voor de continue productie van COF-vezels en directe druk op een oppervlak
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Abrishamkar, A., Rodríguez-San-Miguel, D., Rodríguez Navarro, J. A., Rodriguez-Trujillo, R., Amabilino, D. B., Mas-Ballesté, R., Zamora, F., deMello, A. J., Puigmarti-Luis, J. Microfluidic-based Synthesis of Covalent Organic Frameworks (COFs): A Tool for Continuous Production of COF Fibers and Direct Printing on a Surface. J. Vis. Exp. (125), e56020, doi:10.3791/56020 (2017).More

Abrishamkar, A., Rodríguez-San-Miguel, D., Rodríguez Navarro, J. A., Rodriguez-Trujillo, R., Amabilino, D. B., Mas-Ballesté, R., Zamora, F., deMello, A. J., Puigmarti-Luis, J. Microfluidic-based Synthesis of Covalent Organic Frameworks (COFs): A Tool for Continuous Production of COF Fibers and Direct Printing on a Surface. J. Vis. Exp. (125), e56020, doi:10.3791/56020 (2017).

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