Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Chemistry

Microfluidic מבוסס סינתזה של מסגרות אורגני קוולנטי (COF): כלי לייצור רציף של סיבים COF והדפסה ישירה על משטח

doi: 10.3791/56020 Published: July 10, 2017

Summary

אנו מציגים שיטה חדשה microfluidic מבוסס סינתזה של מסגרות אורגניות קוולנטיים (COF). אנו מדגימים כיצד גישה זו יכולה לשמש לייצור סיבי COF רציפה, וגם 2D או 3D מבנים COF על משטחים.

Abstract

Covalent מסגרות אורגניות (COF) הם סוג של חומרים קוולנטיים נקבובי אשר מסונתזים לעתים קרובות אבקות גבישי unprocessable. COF הראשון דווח בשנת 2005 עם מאמץ רב התמקדו על הקמת נתיבים סינתטיים חדשים להכנת שלה. עד כה, רוב שיטות סינתטי זמין עבור סינתזה COF מבוססים על ערבוב בתפזורת תחת תנאים solvothermal. לכן, יש עניין גובר בפיתוח פרוטוקולים שיטתיים עבור סינתזה COF המספקים שליטה קפדנית על תנאי התגובה ולשפר processability COF על משטחים, אשר חיוני לשימוש שלהם ביישומים מעשיים. הנה, אנו מציגים שיטה חדשה microfluidic מבוסס סינתזה COF שבו התגובה בין שני אבני הבניין המרכיבים, 1,3,5-benzenetricarbaldehyde (BTCA) ו 1,3,5-tris (4-aminophenyl) בנזן (TAPB) מתרחש בתנאי דיפוזיה מבוקרת ובטמפרטורת החדר. שימוש בגישה כזו מניב ספוג דמוי, בוכהסיבי טלין של חומר COF, להלן נקרא MF-COF. תכונות מכניות של MF-COF ואת האופי הדינמי של הגישה לאפשר ייצור רציף של סיבי MF-COF והדפסה ישירה שלהם על משטחים. השיטה הכללית פותחת יישומים פוטנציאליים חדשים הדורשים הדפסה מתקדמת של מבנים 2D או 3D COF על משטחים גמישים או נוקשה.

Introduction

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

מסגרות אורגניות קוולנטיות (COF) הן מעמד מבוסס היטב של חומר נקבובי וגבישי שבו אבני הבניין האורגניות מוחזקות היטב על ידי קשרים קוולנטיים 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . COFs מורכבים בדרך כלל בעקבות עקרונות כימיה supramolecular, שבו את אבני הבניין המולקולרי המולקולרי הם הגיבו באופן סלקטיבי להגדיר הרכבה נקבובי הסופי הסופי. גישה כזו מאפשרת סינתזה של חומרים עם מבנה מבוקר ומסודר ( למשל , עם מימדים נקבוביות מוגדרים) והרכב 3 , 6 , 7 , 8 . לעומת חומרים נקבוביים אחרים, COFs ייחודיים משום שהם מורכבים של אלמנטים קלים (C, H, B, N ו- O) ויש להם tuno פורו Sities 1 , 5 . בהשראת המאפיינים הייחודיים והמהותיים האלה, נמדדו רכיבי ה- COF עבור יישום פוטנציאלי בהפרדות כימיות 9 , אחסון גז 10 וקטליזה 11 , חיישנים 12 , אופטו-אלקטרוניקה 13 , טכנולוגיות אנרגיה נקייה 14 והתקני אנרגיה אלקטרוכימיים 15 .

עד כה, הרוב המכריע של שיטות המשמש להכנת חומרים COF מבוססים על עיבוי עצמי solvothermal ותגובות שיתוף עיבוי, שבו טמפרטורות גבוהות ולחצים הם הסטנדרט. למרות COFs הם חזקים מבחינה תרמית, הם בדרך כלל סובלים processability מוגבל, כלומר , COFs הם בדרך כלל אבקות גבישי בלתי מסיס ו unprocessable, וזה מגביל באופן משמעותי את השימוש שלהם במגוון של יישומים פוטנציאליים ומעשייםSs = "xref"> 2 , 6 , 8 , 16 , 17 . על אף ההתקדמות המדהימה שנעשתה בסינתזת ה- COF, האתגר העיקרי בתחום הוא לפתח שיטה המאפשרת הכנת תרכובות קירור בתנאי תגובה מתאימים ( למשל , טמפרטורה ולחץ), אשר יכול לאחר מכן להקל על processability שלהם על משטחים.

לאחרונה, מחקרים הראו כי כימיה בסיס שיף ניתן להשתמש כדי לסנתז מבוסס COF imine בטמפרטורת החדר. COF מיוצר, בשם RT-COF-1, טפסים עקב תגובה מהירה ויעילה בין בנזין 1,3,5 טריס (4-aminophenyl) (TAPB) ו 1,3,5-benzenetricarbaldehyde (BTCA) 17 ( איור 1 א ). יעילותה של שיטה סינתטית זו הודגמה על ידי הדפסה ישירה של דפוסי מיקרון ותת-טיטניום של RT-COF-1 על משטחים נוקשים וגמישים באמצעות ליתוגרפיה אוטכניקות הדפסת דיו. לאחרונה, ועושה שימוש microfluidics, יש לנו הוכיח גישה יעילה לסינתזה רציפה של סיבים של אותו COF מבוסס imin שנקרא להלן MF-COF 6 . שלא כמו גישות אחרות סינתטי דיווח על הדור של COF 18 , שיטה זו סינתטי מבוסס microfluidic איפשר סינתזה מהירה של סיבי MF-COF בטמפרטורות הסביבה ולחצים בתוך כמה שניות. יתר על כן, בשל היציבות המכנית של סיבי סינתזה MF-COF, הוכחנו כיצד שיטה כזו microfluidic מבוסס יכול לאפשר הדפסה ישירה של מבנים 2D ו 3D על משטחים. כאן, אנו מדגימים כי שיטה זו יכולה לשמש כדי לצייר מבנים COF על משטחים שונים בעלי תכונות כימיות ופיסיקליות שונות. אנו מאמינים כי שיטה חדשה זו פותחת דרכים חדשות עבור דפוס מבוקר היטב והדפסה ישירה של COFs שונים אוריינטציות על משטחים שונים.

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. מאסטר תבנית עובש

  1. בצע את ייצור photolithographic של עובש אבץ סיליקון 4 אינץ 'כפי שתואר בפירוט בעבר 19 ; תבנית האב המשמש במחקר זה כבר מפוברק באמצעות פרוטוקול זהה.
    הערה: התקנים Microfluidic מפוברקות בדרך כלל בתהליך רב שלבי. הצעד הראשון הוא העיצוב של ערוץ microfluidic באמצעות תוכנת ציור קונבנציונאלי. ואז, photomasks הסרט ברזולוציה גבוהה המכילים את הרשת microfluidic מיוצרים עם דיוק תכונה של כ 5 מיקרומטר. לאחר מכן, תבניות אב הם מפוברק על פרוסות סיליקון 4-in באמצעות טכניקות photolithography סטנדרטי. SU-8, photoresist שלילי, מועסק עבור ייצור של תבניות הראשי בחקירות הנוכחי. גובה מבנים SU-8 מוגדר להיות 50 מיקרומטר במכשירים שלנו. לבסוף, מכשירים microfluidic מפוברקות על ידי יציקה ישירה פולימר שקוף, polydimet בדרך כללHylsiloxane (PDMS), נגד תבנית האב.

2. ייצור של יחיד שכבת Microfluidic התקנים

הערה: הפרוטוקול מחייב תנור הפועל 70 ° C. יש לייצב את הטמפרטורה של התנור ב 70 ° C לפני תחילת פרוטוקול ייצור. טמפרטורות נמוכות יותר יכולות להוביל להתקנים מלוכדים ולא פונקציונליים.

  1. מניחים את תבנית מאסטר מפוברק ב desiccator, מצויד משאבת ואקום. ואז, לשפוך 100 μL של chlorotrimethylsilane בתוך בקבוקון זכוכית ומכניסים את זה בתוך desiccator.
    הערה: זהירות! Chlorotrimethylsilane הוא חומר קורוזיבי, מסוכנים ורעילים. לפיכך, כל הצעדים הטיפול צריך להיעשות תחת מכסה המנוע קטר היטב מאוורר, משקפי מגן מתאימים, כפפות מעיל מעבדה חייב להיות משוחק.
  2. סגור את desiccator והניח תחת ואקום (בניסוי זה, 51 mbar). המתן לפחות 1 h כדי להבטיח את התצהיר של chlorotrimethyl vaporizedSilane על פני השטח של תבנית אב. לאחר 1 שעות, פתח בעדינות את שסתום האוויר של המייבש כדי לאזן אותו ללחץ אטמוספרי ולפתוח אותו.
    הערה: זהירות! ברגע desiccator נפתח, אדי chlorotrimethylsilane דולף החוצה; אין לנשום ישירות מעל desiccator תמיד לבצע את האמור לעיל מכסה המנוע קטר מאוורר.
  3. בזהירות להוציא את תבנית אב silanized ביד וסגור את desiccator. חנות עובש הורים בתיבה סגורה (או בתוך מכסה המנוע זרימה למינרית), כדי למנוע בתצהיר של חלקיקים על פני השטח שלה.
    הערה: כל הצעדים הבאים חייבים להתבצע תחת מכסה המנוע זרימה למינרית עם מהירות אוויר אחידה.
  4. הכן תערובת של PDMS מראש פולימר סוכן ריפוי (10: 0.9 במשקל) בכוס חד פעמי לערבב במרץ עם מרית פלסטיק. כמדריך, השתמש 20 גרם של אלסטומר ו 1.8 גרם ריפוי סוכן לפברק ארבעה מכשירים PDMS microfluidic כ 5 מ"מ עובי.
  5. מניחים את הגביע המכיל היטב מעורב PDMS ב desiccator תחת ואקום כדי degas ולהסיר בועות אוויר. לאחר PDMS הוא degassed, לפתוח את desiccator ולהסיר את הכוס.
    הערה: בניסוי זה, זה לוקח בערך 30 דקות ב 51 mbar.
  6. בעדינות במקום ארבעה מסגרות מרובע ( למשל , מסגרות polytetrafluoroethylene (PTFE) עם ממדים פנימיים של 24 מ"מ x 24 מ"מ) על תבנית אב כך שכל צורות הקיר סביב מבנה אחד בדוגמת על תבנית האב.
  7. יוצקים את PDMS degassed לתוך מסגרות על גבי תבנית האב עד מלא. מניחים את תבנית האב עם מסגרות מרובע מלא בתנור על 70 מעלות צלזיוס למשך 2 שעות.
  8. לאחר 2 שעות, להסיר את תבנית האב מהתנור ולהשאיר את הרכבה כדי להתקרר לטמפרטורת החדר.
  9. ידנית לקלף את לוחות PDMS מובנים (או שבבי PDMS) ואת המסגרות הריבועיות על ידי הפרדה קפדנית מהם עובש הורים להחליק את שבבי PDMS מתוך מסגרות מרובע.
  10. פונץ מפרצון חורים מוצא באמצעות 1.5 מ"מ ביופסיה puncher בעמדות sired בעיצוב, למשל , בסוף ערוצי microfluidic. חותכים את החלקים הנוספים של PDMS ולהסיר כל פסולת מן פני השטח של שבבי PDMS מובנים באמצעות סרט דבק.
  11. מניחים את שבבי PDMS (עם ערוצי פתוח פונה כלפי מעלה), כמו גם coverslips זכוכית, לתוך החדר של גנרטור פלזמה לסגור את החדר.
  12. שים את גנרטור פלזמה תחת ואקום (1.4 mbar כאן); לעבור את גנרטור פלזמה על 1 דקות.
  13. לאחר 1 דקות, להחליף את גנרטור פלזמה, לאוורר את החדר להוציא את שבבי PDMS שטופלו coverslips זכוכית. בונד שבבי PDMS (מהצד עם ערוצים מובנים) ו coverslips זכוכית יחד כדי לסגור את הערוצים; בשלב זה את שכבת יחיד התקנים microfluidic הם מפוברק.
  14. לבסוף, במקום את התקנים microfluidic מלוכדות בתנור על 70 מעלות צלזיוס למשך לפחות 4 שעות כדי לשפר את מליטה בין PDMS וזכוכית, באופן משמעותי.

3. הכנהיון של Microfluidic הגדרת פתרונות מבשר

  1. הכן פתרון 0.040 M של BTCA בחומצה אצטית.
    הערה: זהירות! חומצה אצטית הוא תרכובת מסוכנת, דליקה ו דליקה אדי שלה הוא מאוד מעצבן את העיניים ואת מערכת הנשימה. בהתאם לכך, צעדים הטיפול חייב להתבצע על מכסה המנוע קטר. כמו כן, המשתמש חייב ללבוש מעיל מגן מגן, משקפי מגן וכפפות.
  2. הכן פתרון 0.040 M של TAPB בחומצה אצטית.
    הערה: המכשיר microfluidic בשימוש בניסויים הנוכחי יש ארבעה ערוצי מפרצון ( איור 1 ב ואיור 2 ).
  3. טען BTCA ו TAPB פתרונות לתוך שני מזרקים שונים (5 מזרקים מ"ל טעון עם פתרון 3 מ"ל כאן), במקום לאבטח את המזרקים על משאבת מזרק לחבר אותם לשני מפרצים באמצע של שבב microfluidic מפוברק (מגיב אחד לכל מפרצון) באמצעות צינורות PTFE (0.8 מ"מ קוטר פנימי).
  4. טען שני מזרקים אחרים עם טהורחומצה אצטית (כאן 5 מזרקים מ"ל טעון במלואו), במקום לאבטח את המזרקים על משאבת מזרק לחבר אותם שני פתחי הצד של שבב microfluidic באמצעות אותו סוג של צינורות PTFE.
  5. חיבור צינור PTFE ארוך מספיק (בניסוי הנוכחי, ~ 15 ס"מ) לשקע של שבב microfluidic. השתמש במשאבת מזרק מבוקרת מחשב כדי להניע את זרימת הנוזלים כמתואר בשלבים הבאים.

4. סינתזה רציפה של סיבים MF-COF

  1. באמצעות משאבת מזרק להציג שני זרמי נדן של חומצה אצטית כל בקצב זרימה של 100 μL / min; זרימת נדן ממוקמים בצד החיצוני של זרימת מגיב ( איור 2 ).
  2. המתן דקות 1 ולהזריק את שני ריאגנטים (TAPB ו BTCA) באמצעות שני מפרצון באמצע (מגיב אחד לכל מפרצון) כל אחד בקצב זרימה של 50 μL / min. המתן 1 דקות עד יציאות יציב הוקמה.
  3. לבחון את היווצרות של microstruct סיבי צהוב(PF-IR) ספקטרוסקופיה אינפרא-אדום (FT-IR), ניתוח אלמנטאלי ומצב מוצק 13 C CP-MAS-NMR 6 ; בתנאים אלה היווצרות של MF-COF אינו רציף.
  4. הגדל את קצב הזרימה של TAPB ו BTCA ל 200 μL / min ולשמור על שתי זרימת נדן של חומצה אצטית ב 100 μL / min. עכשיו לחכות 1 דקות עד זרימת מייצב. שימו לב להיווצרות של סיבים מרוכזים מאוד של סיבי MF-COF צהובים, אשר בסופו של דבר מוביל לחסימה של השקע.
  5. כמו שבב צינורות מוצא הם עכשיו לא פונקציונלי, להשתמש בשבב חדש ולהכין אותו לניסוי על פי השלבים 3.3-3.6.
  6. להציג שני זרמי נדן של חומצה אצטית כל בקצב זרימה של 100 μL / min ומחכים 1 דקות. הגדר את הזרמים של TAPB ו BTCA כל 100 μL / min ולצפות היווצרות של סיבים MF-COF רציפה צהוב.
  7. מניחים את השקע של צינורות בצלחת פטרי המכיל acetחומצה. לדוגמה, במקום 10 מ"ל של חומצה אצטית בצלחת פטרי זכוכית עגולה (60 מ"מ קוטר). לאחר סיבים מסונתז יוצא הצינור הממוקם בשקע של המכשיר microfluidic, להעביר את הצינור על פני השטח כדי להקל על היציאה של סיבים MF-COF רציפה.

5. הדפסה ישירה של מבנים דו-ממדיים ותלת-ממדיים מסוג MF-COF

הערה: כמו סיבים synthetized לא יכול להיות הומוגני לחלוטין, מהירות התצהיר חייב להיות מותאם כדי להבטיח הדפסה רציפה.

  1. הכן את הגדרת microfluidic כמתואר בסעיף 3 ו להזריק את כל ארבעת הפתרונות בקצב זרימה של 100 μL / min.
  2. המתן דקות 1 עד זרימות הם התייצב ואת סינתזה MF-COF סיבים יוצא הצינור הממוקם בשקע של המכשיר microfluidic. הכן מצע נקי ליד היציאה של הצינור הממוקם ליד היציאה של המכשיר microfluidic להדפסה ישירה של סיבי MF-COF.
    הערה: בתחקירים שלנו, 24 מ"מX 76 מ"מ זכוכית coverslips היו מועסקים עבור כל ניסויים ההדפסה.
  3. החזק את הצינור מחובר לשקע של המכשיר microfluidic כך קצהו הוא כמה מילימטרים מעל coverslip זכוכית. לאט להזיז את הצינור על coverslip זכוכית כדי להקל על היציאה של סיבי MF-COF ולמנוע צבירה.
  4. לאחר זרימות הם התייצב, לאט להרים את הצינור הממוקם ליד השקע של המכשיר microfluidic כ 2-3 ס"מ מן coverslip זכוכית להתבונן יציבה חופשית יציבה MF-COF סיבים.
  5. כדי להמשיך להדפיס, להביא את השקע של הצינור בחזרה לכיוון coverslip זכוכית ידני להזיז את הצינור על פני השטח כדי לצייר את 2D או 3D MF-COF הרצוי המבנה.

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

המכשיר microfluidic המשמשים החקירות שלנו הוא מפוברק באמצעות PDMS קונבנציונאלי העתק דפוס 20 ומשלב ארבעה ערוצי כניסת microfluidic למזג לתוך microchannel הראשי. המכשיר הסופי microfluidic מורכב שכבת PDMS מובנה ו coverslip זכוכית המשמשים לסגור את microchannels מוטבע, כפי שמוצג בתרשים 1B .

איור 1
איור 1: אבני הבניין מולקולרית ואת המכשיר שכבת יחיד microfluidic. ( א ) מבנים כימיים של TAPB ו- BTCA. ( ב ) צילום של המכשיר microfluidic המשמש סינתזה של סיבי COF. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של זהדמות.

ארבעת ערוצי כניסת microfluidic הם 50 מיקרומטר גבוה 50 מיקרומטר רחב להתכנס לתוך ערוץ microfluidic הראשי 50 מיקרומטר גבוה 250 מיקרומטר רחב. שני הזרמים מגיב (BTCA ו TAPB הן בחומצה אצטית) מוזרקים לתוך שני ערוצי קלט באמצע, בעוד שני זרמי נדן של חומצה אצטית טהורה הם הציג לתוך ערוצי הצד ( איור 2 , אזור סינתזה). כל ארבעת הזרמים להתכנס בערוץ microfluidic הראשי, שבו התגובה מתרחשת תחת שליטה דיפוזיה. בעבודה זו, כל ארבע זרימת קלט מותאמים בקצב זרימה של 100 μL / min. מצב זה, מצד אחד, מבטיח היווצרות של סיבים MF-COF רציפה (עם קצב ייצור של כ 2 מ"ג / min של סיבי MF-COF יבשים), ומצד שני, נמנע חסימה של ערוץ microfluidic הראשי כמו גם את הצינור הממוקם ליד היציאה של המכשיר microfluidic. זרימת אופטימיזציה כזו גמאכל לאפשר לייצור של סיבים MF-COF צהוב רציף עם תכונות מכניות מתאים להדפסה ישירה על משטחים ( איור 2 , אזור הדפסה).

איור 2
איור 2: איור סכמטי של microfluidic הגדרת המשמש סינתזה של סיבי MF-COF. אזורי הסינתזה והדפסה מסומנים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

המחקר הקודם שלנו 6 מספק מפורט אפיון מחקרים כימיים, כמו גם ניתוח יציבות תרמית של סיבים MF-COF synthetized. איור 3 מציג את נתוני ההחזרה הכוללת FT-IR (ATR-FT-IR) D אבקת רנטגן X-Ray (PXRD) דפוסי מונומרים TAPB ו BTCA כמו גם סיבי MF-COF. מדידות ה- ATR-FT-IR מציינות את היעלמותן של להקות מתיחה של NH (3,300-3,500 ס"מ -1 ) בסיבי MF-COF ואת הופעתה של להקה חדשה הממוקמת ב -1,689 ס"מ -1 , התואמת את יצירת הקשר האימיני. יתר על כן, הנתונים PXRD של סיבי MF-COF להשוות היטב את דפוס מדומה. מעניין לציין, כי אפיון מורפולוגי של MF-COF גילה כי MF-COF נבדלים בין RT-COF-1 (synthetized תחת תנאי בתפזורת) ב MF-COF זה מורכב סיבים מיקרו- ננו מחוברים זה יוצר ספוג דמויי ספוג 3D ארגונים, בעוד RT-COF-1 סרטים שאינם מכילים מיקרוסטרוקטורים מוגדרים 17 . הפרש זה מורפולוגיה גם מסביר עלייה ניכרת של ספיחה N 2 ב MF-COF, כפי שהוכח על ידי שטח פני השטח הכולל שנקבע על ידי ניתוח Brunauer-Emmet-Teller (BET) 6 .

_content "fo: keep-together.within-page =" 1 "> איור 3
איור 3: ניתוח כימי מבניים של ריאגנטים וסיבים MF-COF. ( A ) ATR-FT-IR ספקטרום של מונומרים TAPB ו- BTCA כמו גם סיבי MF-COF. ( B ) דפוסי PXRD של סיבי MF-COF (עם דפוס מדומה) ו- TAPB ו- BTCA. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

תוצאות אלה מראות כי COFs synthetized באמצעות תגובות microfluidic הם ייחודיים כי תכונות MF-COF וביצועים לא ניתן להשיג באמצעות גישות סינתטיות חלופיות. התכונות המכניות, הנגזרות מהארגון המיקרוסקופי של MF-COF, מאפשרות הדפסה קונפורמית של סיבי MF-COF על משטחים. איור 4

איור 4
איור 4: 2D ו 3D MF-COF מבנים על משטחי זכוכית. צילומים של ניסויים בכתיבה (עם המילים "ETH" ו "3D COF"), כמו גם ניסויים הדפסה של ( ב ) דו מימדי ( ג ) תלת מימדי MF-COF מבנים על זכוכית. פסי סולם = 1 ס"מ. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

יתר על כן, המאפיינים המכניים של סיבי סינתזה MF-COF, יחד עם הפשטות והגמישות של הגישה הדפסה, לאפשר את conתצהיר טרולי של MF-COF על מצעים גמישים ונוקשים שונים. כפי שמוצג באיור 5 , MF-COF ניתן להדפיס על משטחים שונים כגון זכוכית, נייר רקמות, קרטון, רדיד אלומיניום ופוליסטירן.

איור 5
איור 5: הדפסת סיבי MF-COF על מצעים שונים. תמונות של MF-COF מודפס על ( א ) זכוכית, ( ב ) נייר רקמות, ( ג ) קרטון, ( D ) רדיד אלומיניום ( E ) משטחי קלקר. כל סולם בקנה מידה 1 ס"מ. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

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

השיטה סינתטי מבוסס microfluidic דיווח כאן מספק גישה רומן ופשוט להדפסה ישירה של חומרים COF על משטחים. סינתזה מבוצעת באמצעות מכשיר microfluidic שכבה אחת, המורכב שבב PDMS microfluidic מלוכדות כוס coverslip. המצאה של המכשיר microfluidic ניתן להשיג באמצעות הליהוק קונבנציונלי של PDMS נגד עובש אב סיליקון ולאחר מכן מליטה PDMS עם microchannels מוטבע נגד coverslip זכוכית.

עבור הרכבה מוצלחת של המכשיר microfluidic, חשוב לפברק את תבנית האב בסביבה cleanroom, כדי למנוע זיהום וליקויים במהלך photolithography. כתוצאה של תנאים לא מתאימים, תבניות הורים פגומים יוביל התקנים שאינם פונקציונליים microfluidic. בנוסף, היחס של PDMS מראש פולימר לסוכן ריפוי, אשר שולט קשיחות של PDMS, כבר מותאם כדי לפברק PDMS חזקים devi Ces כי עדיין יש מספיק גמישות. הגמישות של שבב PDMS חשוב בהקלת הכניסה יציבה של צינורות PTFE לתוך החורים מפרצון מוצא של המכשיר microfluidic.

תנאי זרימה למינרית הנוכחי התקנים microfluidic לאפשר שליטה קנס על התגובות הכימיות המתרחשים בממשק בין הזרם זורם זרמים מגובבים. תערובת מתקדמת של יורש עצר להקל בתוך התקנים microfluidic פעיל תורם להיווצרות ובידוד של מיקרו ננו שאינם נגישים באמצעות שיטות סינתטיות אחרות 6 , 21 , 22 , 23 . במחקר הנוכחי, אנו מראים גם כי סינתזה microfluidic יכול להוביל להיווצרות של 3D כמו ספוג חומרים COF עם microstructures סיבי מחוברים, שונים לאלה המתקבלים על ידי שיטות סינתטיות בתפזורת.

S = "jove_content"> אפיון כימי ופיזי של סיבי MF-COF מדגים כי החומר המיוצר מסכים עם COF הצפוי המתקבל גישות סינטטי בתפזורת 6 . עם זאת, סינתזה microfluidic מקלה על היווצרות של סיבי MF-COF מקרוסקופית נקבובי כי ניתן להדפיס ברציפות על משטחים שונים. שיטה זו חדשנית עבור סינתזה והדפסה ישירה יוצרת הזדמנויות חדשות במחקר COF.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין מה לגלות.

Acknowledgments

המחברים מכירים בקרן הלאומית השוויצרית למדע (SNF) לתמיכה כספית באמצעות פרויקט מס ' 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).
Microfluidic מבוסס סינתזה של מסגרות אורגני קוולנטי (COF): כלי לייצור רציף של סיבים COF והדפסה ישירה על משטח
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