Waiting
Login processing...

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

Chemistry

تطعيم الأنابيب النانوية الكربونية مولتيواليد مع البوليستيرين لتمكين التجميع الذاتي والرقع متباين

Published: April 1, 2018 doi: 10.3791/56267
Automatic Translation
1, 2, 1
1Department of Analytical Chemistry, School of Chemistry, National Autonomous University of Mexico, 2Department of Organic Chemistry, School of Chemistry, National Autonomous University of Mexico

Summary

إجراء لخطوات تركيب الأنابيب النانوية الكربونية مولتيواليد البوليستيرين المطعمة باستخدام التعديل الكيميائية المتتابعة بصورة انتقائية إدخال سلاسل البوليمر سيديوالس والتجميع الذاتي عن طريق الرقع متباين قدم.

Abstract

نظهر بروتوكولا مباشرة graft الأنابيب النانوية الكربونية مولتيواليد البكر (MWCNTs) مع سلاسل البوليستيرين (PS) في سيديوالس من خلال استراتيجية بلمرة الجذور الحرة لتمكين تحوير الخصائص السطحية أنبوب نانوي و إنتاج سوبراموليكولار التجميع الذاتي للنانو. أولاً، يخلق hydroxylation انتقائي للأنابيب النانوية البكر من خلال فعل أكسدة ثنائية الطور حفازة وساطة مواقع رد الفعل سطحي الموزعة في سيديوالس. بعد ذلك يتم تعديل مواقع رد الفعل الأخير مع ميثاكريليك مويتيس باستخدام سيليلاتيد ميثاكريليك تمهيدا لإنشاء مواقع بوليميريزابل. يمكن معالجة تلك الجماعات بوليميريزابل البلمرة المزيد من الستيرين لإنتاج نانوماتيريال هجينة التي تحتوي على سلاسل PS المطعمة سيديوالس أنبوب نانوي. تحديد محتوى البوليمر-الاختلاس ومقدار مويتيس ميثاكريليك سيليلاتيد وعرض وتعديل هيدروكسيليشن للأنابيب النانوية وكمياً بتحليل ثيرموجرافيميتريك (TGA). وجود رد الفعل من المجموعات الوظيفية الهيدروكسيل وسيليلاتيد ميثاكريلات تؤكدها "فورييه تحويل الأشعة تحت الحمراء الطيفي" (FT الأشعة تحت الحمراء). توفر حلول أنبوب نانوي المطعمة البوليستيرين الكربون في رباعي هيدرو الفوران (THF) ويتم تحليل عينات الأنابيب النانوية كولينيرلي الذاتي تجميعها عندما يلقي الجدار إلى الجدار مجهر إلكتروني (TEM). لا يتم الحصول على تلك المتمتعة بالحكم الذاتي-التجميعات عندما يلقي الفراغات مناسبة وبالمثل من حلول مماثلة تحتوي على نظرائهم غير المطعمة. ولذلك، يتيح هذا الأسلوب تعديل أنبوب نانوي الرقع متباين في سيديوالس مما يؤدي إلى منظمة التلقائي عفوية في النانو.

Introduction

ومنذ اكتشاف الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدران (سوكنتس)،،من12 المجتمعات العلمية التي طبقت على الخصائص الكهربائية والميكانيكية والحرارية المعلقة3 في مجموعة واسعة من أحدث التطبيقات بتحوير خصائص السطح عبر التساهمية4 واستراتيجياتها غير التساهمية5 . تتضمن أمثلة هذه التطبيقات استخدامها كمحولات الطاقة في أجهزة الاستشعار، واقطاب7 6،في الخلايا الشمسية، ويدعم8 غير متجانسة في الحفز، نانوريكتورس9 في التوليف،10 القاذورات وكلاء في الواقية،11 الحشو في المواد المركبة،12إلخ. ومع ذلك، ظلت إمكانية لتعديل خصائص السطح أكثر قوة، بعد نظرائهم مولتيواليد صناعيا المتاحة هي: موكنتس، للتحكم في الاتجاه في تفاعلاتها غير التساهمي في النانو، مهمة صعبة المهمة حتى الآن. 13

سوبراموليكولار التجميع الذاتي لبنات البناء الجزيئي إحدى الاستراتيجيات الأكثر تنوعاً للتحكم في تنظيم هذه المسألة في النانو. 14 , 15 في هذا المعني، التفاعلات سوبراموليكولار تنطوي على الاتجاه، قصيرة المدى ومتوسطة المدى التفاعلات غير التساهمية مثل ح-السندات، فإن دير فالس، ثنائي قطب-ثنائي قطب، أيون-ثنائي قطب، الناجمة عن ثنائي قطب ثنائي القطب، التراص π-π، الموجبة π، انيون-π، كولومبيك، من بين أمور أخرى. 16 للأسف، اتجاهية في التجميع الذاتي للهياكل الكبيرة مثل MWCNTs ليست عفوية وعادة ما يتطلب قوات الدافع الخارجي (مثل قوالب أو نظم تبديد الطاقة). 17 ظلت نادراً ما استكشفت التفاف غير التساهمية تقرير المستخدمة مؤخرا للأنابيب النانوية مع البوليمرات المشارك مصممة لتحقيق الهدف الأخير،18 لكن استخدام استراتيجيات التساهمية لتقديم بدائل جديدة لحل هذه المشكلة.

يمكن إجراء التعديل الكيميائي للأنابيب النانوية الكربونية بشكل انتقائي لإدخال مجموعات وظيفية مختلفة تيرميني أو سيديوالس من نفس. 19 , 20 أحد النهج الأكثر فائدة لتكييف الخصائص السطحية في الكربون النانو تطعيم البوليمر من خلال طرق البلمرة القياسية. عادة، تتضمن تلك النهج مقدمة أولية من بوليميريزابل أو مجموعات البادئ (اﻷكريليك، الفينيل، إلخ.) على سطح نانوستروكتوري وبهم البلمرة المتعاقبة مع مونومر مناسبة. 21 في حالة موكنتس، ظلت التساهمية إدخال سلاسل البوليمر على سيديوالس للسيطرة على البقع بشكل متباين تحديا.

هنا سوف نعرض كيف يمكن تطبيق سلسلة من تعديل المواد الكيميائية مباشرة الخطوات22،23 لإدراج سلاسل PS على سيديوالس موكنتس أجل تعديل تلك الرقع السطحية والنهوض بهم متباين التجميع الذاتي23 على النانو. أثناء مسار التعديل، يسمح خطوة أولى ل hydroxylation انتقائية من موكنتس البكر في سيديوالس باتباع ثنائية الطور وساطة حفازة تفاعل الأكسدة تسفر عن نظرائهم الهيدروكسيلية هما موكنت-يا. يستخدم خطوة ثانية 3--(تريميثوكسيسيليل) بروبيل ميثاكريلات (تمسبما) لإدخال سيليلاتيد ميثاكريليك مويتيس إلى مجموعات الهيدروكسيل التي تم إنشاؤها مسبقاً (موكنت-س-تمسبما). ستوفر هذه إدراج مواقع رد الفعل السطحية خلال الخطوة الثالثة، عندما يتم بلمرة مونومر الستايرين من مويتيس ميثاكريليك وهكذا تسفر عن سلاسل البوليمر المطعمة على سيديوالس للأنابيب النانوية في النهاية (أي موكنت-س-س).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

تحذير: الرجاء مراجعة صحائف بيانات السلامة المادية ذات الصلة (MSDS) قبل الاستخدام. العديد من المواد الكيميائية المستخدمة في هذا البروتوكول شديدة السمية والمسببة للسرطان. قد يكون الكربون أنبوب نانوي المشتقات مخاطر الالتهاب الرئوي إضافية مقارنة بالتأصل الكربون السائبة التقليدية الأخرى. ويشتبه في أن الأنابيب النانوية الكربونية في الهباء الجوي قد تؤثر على الرئتين بطريقة مماثلة من الأسبستوس، وعلى الرغم من خواصها المسرطنة قد لا تم تماما توضيحها حتى الآن. الرجاء استخدام جميع ممارسات السلامة المناسبة عند إجراء التفاعلات الكيميائية ومنتجات تجهيز الخطوات بما في ذلك استخدام غطاء الدخان ومعدات الحماية الشخصية (مختبر معطف، قفازات، نظارات السلامة، مغلقة الأحذية، السراويل طول كامل) الوقت مناسب تصفية أجهزة التنفس فاسيبيسي ينبغي أن لا سيما تستخدم عندما يمكن إنشاؤها المحتملة أنبوب نانوي الغبار (هي الموافقة على نموذج N95 أو الأوروبية EN 149 معتمدة إصدارات FFP3). تشمل أجزاء من الإجراء التالي جو خامل معيار التعامل مع التقنيات. 24

1-هيدروكسيليشن انتقائية من الكربون مولتيواليد الأنابيب النانوية 22

  1. بوساطة ثنائية الطور حفازة أكسدة موكنتس
    1. التحضير للمرحلة العضوية
      1. إضافة 2.5 g موكنتس البكر إلى مشاهدة الزجاج، وطبق بتري أو الكأس.
      2. نقل الحاوية إلى فرن فراغ 80 درجة مئوية والغطاء مع كوب يشاهد مناسبة. قم بتشغيل المضخة الفراغ من الفرن وتعيين النظام إلى ca. 200 ملم زئبق.
      3. جاف النانومترية في فرن فراغ ح 12. بعد هذه الخطوة، سيتم القضاء على محتوى الماء موكنتس.
      4. صب 100 مل جولة قارورة السفلي مع قمع زجاج وملعقة موكنتس المجففة وإزالة القمع بمجرد الانتهاء.
      5. يعرض شريط إثارة مغناطيسية لقارورة قاع الجولة وإضافة ~ 50 مل الميثان 99 ٪ في قارورة استخدام كوب. ضجة في 60 لفة في الدقيقة باستخدام لوحة التحريك حتى تختفي اجلمرتر.
      6. إذا ظلت اجلمرتر في الحل بعد التحريك لمدة 10 دقائق، تنتقل قارورة حمام الموجات فوق الصوتية وتشغيل نظام الحد الأدنى 5 تكرار سونيكيشن إذا لزم الأمر. وسيكون هذا الحل مرحلة العضوية في مرحلة تفاعل أكسدة.
    2. التحضير للمرحلة مائي
      1. في كوب 25 مل، حل غ 0.6 فوق بروميد (تبابر) في 5 مل ماء المقطر استخدام شريط إثارة مغناطيسية وصفيحة إثارة.
      2. في 10 مل دورق حجمي، حل ز 0.253 كمنو4 في الماء المقطر (0.16 م حل) ويبقى الحل في كوب في متناول اليد. سيتم استخدام هذا الحل في الخطوة 1.1.2.4.
      3. تأخذ 5 مل حمض الخليك الجليدية (هوك) ونقل وحدة التخزين دروبويسي لحل تبابر. قد يكون من المفيد استخدام ماصة متدرجة وثابتة مع التحريك في حمام الثلج.
        ملاحظة: عملية خليط الطاردة للحرارة، ولذلك الإضافة ينبغي أن يتم ببطء لتجنب الإصابات المحتملة بقطرات المتوقعة أو الاحترار المفرط.
      4. نقل من قاسمة 5 مل من محلول مائي4 كمنو 0.16 م حل تبابر المحمضة. قد يكون من المفيد استخدام ماصة تخرج نظيفة وآثاره.
      5. يبقى الحل السابق مغطاة بزجاج يشاهد حتى حاجة. وسيكون هذا الحل مرحلة مائي في مرحلة تفاعل أكسدة.
    3. تفاعل أكسدة
      1. صب في مرحلة مائي في قارورة قاع الجولة التي تحتوي على المرحلة العضوية. وسيكون هذا الخليط الخليط تفاعل ثنائية الطور.
      2. استخدام لوحة إثارة، تحرض على نظام ثنائية الطور على 80 لفة في الدقيقة أو أكثر، وترك الخليط تحت التحريك في درجة حرارة الغرفة ح 24. بعد هذا الوقت، في مرحلة مائي البنفسجي الوردي يتحول شاحب والأنابيب النانوية أصبحت الهيدروكسيلية (موكنت-OH).
  2. تنقية موكنت-أوه
    1. استخلاص سائل-سائل
      1. نقل الخليط تفاعل ثنائية الطور إلى 150 مل أو 200 مل القمع سيباراتوري مع محبس الحنفية في موقف مغلقة. استخدام قمع زجاج وملعقة إذا لزم الأمر.
      2. استخدام ماصة بيرال، ماصة باستور مع لمبة مطاط المرفقة أو كوب، إضافة ~ 0.25 مل حمض الهيدروكلوريك في القمع سيباراتوري.
      3. استخدام القمع سيباراتوري.
        1. إغلاق القمع سيباراتوري مع سداده تفلون (عدم استخدام السدادات الزجاجية للأنابيب النانوية الكربونية) وتحرض بقوة 5 s في غطاء دخان مع الإطار المنزلق إلى أسفل. أثناء الانفعالات، دائماً عقد سداده تعلق بشدة للقمع يد واحدة والاستيلاء محبس الحنفية باليد الأخرى.
        2. فورا بعد الخطوة الانفعالات، اقلب القمع والإفراج عن تراكم الضغط عن طريق فتح في محبس الحنفية مع الجهة المعنية.
          ملاحظة: تأكد من للتصدي لاتجاه الضغط إلى الجزء الخلفي من الأغذية الدخان.
        3. كرر الخطوتين الانفعالات/الضغط-الإفراج عن آخر في دورات من 3-5.
        4. بمجرد الانتهاء من الدورة الأخيرة، فور إزالة السدادة وترك القمع فرضت ودون عائق حتى مرحلة الفصل الواضح. بعد فصل السائل والسائلة، لا يزال المرحلة مائي أعلى المرحلة العضوية. موكنت-أوه ستظل في المرحلة العضوية.
      4. في حالة حدوث لا انفصال، إضافة 1-5 مل من محلول ملحي (10-20% كلوريد الصوديوم في الماء، m/v) باستخدام ماصة بيرال أو ماصة باستور القمع سيباراتوري، خلط بلطف وترك الخليط دون عائق حتى مرحلة الانفصال. كرر حتى المطلوبة.
      5. استعادة المرحلة العضوية في كوب 150 مل حفظ في محبس الحنفية مفتوحة حتى يصل إلى حدود المرحلة، موقف محبس الحنفية. يمكن استخدامها 150 مل قارورة Erlenmeyer بدلاً من ذلك استعادة المرحلة العضوية؛ ومع ذلك، استرجاع للأنابيب النانوية من هذا النوع حاوية عادة أكثر صعوبة.
      6. يبقى الحل المستردة محمية بزجاج يشاهد حتى الترشيح.
      7. تجاهل المرحلة المائية على نحو ملائم.
    2. إعداد نظام الترشيح فراغ
      1. تعيين نظام الترشيح فراغ الجلوس السدادة وقاعدة بشدة في عنق قارورة كيتاساتو فرضت.
      2. الاحتفاظ بتصفية غشاء قطر 47 ملم في متناول اليد، واعتماداً على مواد الغشاء ودلائل من الشركة المصنعة، بشكل اختياري اتبع هذه الخطوة والمقبلين منها (الخطوات 1.2.2.2-1.2.2.4). تعد قطر 100 ملم طبق بيتري مع الإيثانول (EtOH) ملء 50% طاقتها.
      3. مع الملقط تلميح على نحو سلس، مكان تصفية غشاء قطر 47 ملم على طبق بيتري مع EtOH. ترك الغشاء في EtOH لجعل بالتأكيد لاستخدام غشاء مع حجم مسام 0.45 كحد أدنى 2-5-20 ميكرومتر. المسامية أحجام أصغر سوف تسد الترشيح، وبينما الأكبر حجماً سوف يقلل من كفاءة التصفية.
      4. إزالة الغشاء من EtOH استخدام الملقط تلميح على نحو سلس.
      5. مركز الغشاء في منطقة الزجاج متكلس سطح دعم مرشح ابتداء من حافة الغشاء. وقد يسهل ترطيب الاختياري مع EtOH هذه الخطوة.
      6. مركز الشفة القمع على رأس الجمعية العامة. عدم الإزعاج الغشاء. قفل القمع وقاعدة جنبا إلى جنب مع المشبك الربيع.
      7. الاتصال النظام المصدر فراغ. لا يتم تشغيل الفراغ حتى المطلوبة.
    3. الترشيح موكنت-أوه
      1. صب في مرحلة استرداد العضوية في القمع الترشيح فراغ بمساعدة قضيب من زجاج. تطبيق فراغ لتصفية العينة حتى جفاف.
      2. أغسل الصلبة مع 40-50 مل من 95 ٪ الميثانول (ميوه) باستخدام زجاجة غسيل. قد يكون من المفيد في هذه المهمة باستخدام قضيب من زجاج. كرر هذه العملية 5 مرات على الأقل. إبقاء الفراغ أثناء هذه الخطوة.
      3. بعد الغسيل، ترك النظام تحت الفراغ لمدة 20 دقيقة مغطاة بمشاهدة زجاج الجافة الصلبة.
      4. من أجل استرداد الصلبة من الغشاء، اتبع الخطوات التالية 1.2.3.5-1.2.3.8.
      5. بعناية، إزالة المشبك الربيع، ثم إزالة القمع عمودياً دون الإخلال بالغشاء والصلبة.
      6. بعناية فائقة، إزالة الغشاء جنبا إلى جنب مع الصلبة من على سطح الأرض دعم مرشح بمساعدة ملعقة والملقط نصيحة السلس.
      7. نقل الغشاء مع الصلبة إلى طبق بتري قطر 100 ملم أو يشاهد الزجاج.
      8. بمساعدة اثنين السلس-نصيحة الملقط وملعقة، استرداد الصلبة من سطح الغشاء حتى تودع جميع المنتج على زجاج صحن بتري/مشاهدة.
    4. التجفيف والتخزين موكنت-أوه
      1. تغطية الزجاج طبق بيتري/مشاهدة مع كوب يشاهد مناسبة (القطر أكبر من المطلوب).
        ملاحظة: لا تستخدم الفيلم الختم لتجنب فرض رسوم الكهرباء.
      2. إدخال الزجاج طبق بيتري/يشاهد في فرن فراغ تسخينه عند 80 درجة مئوية. قم بتشغيل المضخة الفراغ من الفرن وتعيين النظام إلى ca. 200 ملم زئبق.
      3. الجافة الصلبة ح 24. بعد هذه الخطوة، سيتم القضاء على محتوى المذيبات في المنتج. إذا لن يتم استخدام المنتج فورا، تخزين الصلبة في مجفف حتى المطلوبة.

2-تطعيم أوه موكنت مع سلاسل البوليستيرين 22،23

  1. تعديل أوه موكنت مع مويتيس ميثاكريليك سيليلاتيد
    1. صب 2.5 g موكنت-OH و 5 غ من الهيدروكينون في قارورة شلينك نظيفة 100 مل استخدام قمع زجاج وملعقة وإزالة القمع ويعرض شريط إثارة مغناطيسية.
    2. تعيين قارورة شلينك في وضع الجزر وفقا للمؤشرات التالية:
      1. قم بتوصيل قارورة شلينك لغاز خامل/فراغ النظام المتعددة باستخدام أنابيب مطاطية مناسبة إرفاقه زجاج قارورة المشتركة. تبقى متعددة قارورة مغلقة.
      2. قم بتوصيل مكثف مناسب للنظام الاستفادة من المياه باستخدام أنابيب مطاطية مناسبة، مع التأكد من تعيين دخل الماء من خلال المشترك الزجاج الأقرب إلى الذكور المشتركة.
      3. تليين المشترك الذكور المكثف مع طبقة الجميلة تطبيقية بالتساوي من الشحوم فراغ.
        ملاحظة: لا ينبغي المشترك مدهون المفرط لتجنب تلوث المنتج.
      4. إرفاق المشترك المكثف الذكور بالرقبة قارورة شلينك في. إغلاق المشترك المكثف الإناث مع سداده مطاطية.
      5. بعناية، فتح قارورة للفراغ. تأكد من أن لا امتص الأنابيب النانوية في السطر فراغ أثناء هذه العملية.
      6. ملء قارورة شلينك مع الغاز2 ن.
      7. كرر الخطوتين آخر مرتين أخريين.
      8. الحفاظ على النظام في إطار تدفق الغاز2 ن إيجابية.
    3. بمساعدة قنية نظيفة وحقنه مناسبة، ببطء حقن 50 مل التولوين الجافة من خلال السدادة المطاطية.
    4. استخدام لوحة إثارة وحمام حرارية، تحرض المخلوط بقوة في 80 لفة في الدقيقة أو أكثر، وترك الخليط تحت التحريك لمدة 5-10 دقائق في درجة حرارة الغرفة.
    5. استخدام قنية نظيفة والمحاقن، حقن 5 مل تمسبما من خلال السدادة المطاطية.
    6. تعيين درجة الحرارة إلى 100 درجة مئوية، وترك رد الفعل تحت الجزر وآثاره ح 12. بعد هذا الوقت، هي سيليلاتيد ميثاكريليك مويتيس كيميائيا للزوجين إلى مجموعات الهيدروكسيل في موكنتس (أي موكنت-س-تمسبما).
    7. بمجرد رد فعل على، بعناية إزالة سداده المطاط وإغلاق تدفق2 ن وانتظر حتى يتم قارورة في درجة حرارة الغرفة.
    8. تعيين نظام ترشيح فراغ (الخطوة 1.2.2).
    9. تصفية الصلبة (الخطوة 1.2.3). يغسل مع ميوه الزائدة.
    10. الجاف وتخزين موكنت-س-تمسبما (الخطوة 1.2.4).
  2. بلمرة ستايرين على تعديل موكنتس
    1. صب 2.5 g من موكنت-س-تمسبما و 75 ملغ من أزوبيسيسوبوتيرونيتريلي (أيبن) في قارورة شلينك نظيفة 100 مل استخدام قمع زجاج وملعقة وإزالة القمع.
      تنبيه: مسحوق أيبن ينبغي أن لا تكون عرضه للحرارة أو العوامل المؤكسدة بشدة، كما أنها قد تنفجر تلقائياً.
    2. يعرض شريط إثارة مغناطيسية لقارورة شلينك.
    3. تعيين قارورة شلينك في وضع الجزر (الخطوة 2.1.2).
    4. استخدام قنية نظيفة والمحاقن، حقن 50 مل التولوين الجافة من خلال السدادة المطاطية.
    5. باستخدام لوحة إثارة والحمامات الحرارية، تحرض المخلوط في 80 لفة في الدقيقة أو أكثر، وترك الخليط تحت التحريك لمدة 5-10 دقائق في درجة حرارة الغرفة.
    6. بمساعدة قنية نظيفة والمحاقن، حقن 7.5 مل ستيرين خلال السدادة.
    7. تعيين درجة الحرارة إلى 70 درجة مئوية وترك رد الفعل تحت الجزر والتحريك و ن2 لح 12. بعد هذا الوقت، هي المطعمة سلاسل PS لأنبوب نانوي سيديوالس (موكنت-س-س).
    8. افتح النظام في الهواء وإغلاق تدفق2 ن وبارد قارورة لدرجة حرارة الغرفة.
    9. تعيين نظام ترشيح فراغ (الخطوة 1.2.2).
    10. تصفية وتغسل الصلبة (الخطوة 1.2.3). استخدام الأسيتون بدلاً من ميوه أثناء الخطوة الغسيل. أغسل الصلبة خمس مرات أكثر مع 20 مل THF لإزالة البوليسترين غير منضم.
    11. الجاف وتخزين موكنت-س-PS (الخطوة 1.2.4).
      ملاحظة: طول سلسلة البوليمر المطعمة بالأنابيب النانوية يمكن ضبطها عن طريق تغيير تركيز الستيرين في التولوين أثناء الخطوة البلمرة؛ تركيزات أقل إنتاج سلاسل أقصر. يمكن استخدام الوقت تفاعل البلمرة لضبط حجم سلسلة البوليمر؛ أقصر رد فعل مرات الحد من طول السلاسل. راجع مراجع 22 و 23 لمزيد من التفاصيل.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

جمعت المعطيات TGA من الأنابيب النانوية البكر والأنابيب النانوية الهيدروكسيلية والأنابيب النانوية المعدلة مع سيليلاتيد ميثاكريليك مويتيس والأنابيب النانوية المطعمة البوليستيرين (الشكل 1). وجمعت نتائج الأشعة تحت الحمراء مترا من الأنابيب النانوية الهيدروكسيلية وتعديل للأنابيب النانوية مع سيليلاتيد ميثاكريليك مويتيس (الشكل 2). وجمعت صور تيم من الأنابيب النانوية البكر والأنابيب النانوية المطعمة البوليستيرين (الشكل 3). قطرات TGA في الكتلة تستخدم لحساب غلة التدرجي لتعديل المواد الكيميائية للأنابيب النانوية. 22 , 23 , 25 , 26 مترا، الأشعة تحت الحمراء يستخدم لتأكيد وجود رد الفعل المجموعات الوظيفية التي أدخلت للأنابيب النانوية. يستخدم TEM لتأكيد متباين التجميع الذاتي للأنابيب النانوية البوليمرية المطعمة ضد نظرائهم البكر. 23

Figure 1
الشكل 1 : الوصف الكمي للتعديلات الكيميائية في الأنابيب النانوية الكربونية. منحنيات TGA MWCNTs البكر (أسود) وأوه موكنت (أحمر)، موكنت-س-تمسبما (أزرق) وموكنت-س-PS (أخضر). النص الرمادي والخطوط المتقطعة تشير إلى مناطق درجة الحرارة فيها كل مكون عادة متحللة.

Figure 2
الشكل 2 : قدم تأكيدا للمجموعات الوظيفية التفاعلية للأنابيب النانوية الكربونية. فتير الأطياف ل: أ) موكنت-أوه (أحمر) وب) موكنت-س-تمسبما (أزرق). نص رمادي وخطوط متصلة تبين موقف عصابات ذات الصلة للتأكد من وجود جماعات رد الفعل أدخلت. الأرقام المدرجة تمثيلات تخطيطية للأنابيب النانوية المعدلة.

Figure 3
الشكل 3 : متباين التجميع الذاتي للأنابيب النانوية الكربونية المطعمة البوليمر. صور تيم (أعلاه) من الحلول في THF بعد تبخر المذيبات ل: موكنتس أ) البكر، ب) موكنت-س-س. "المخططات" أدناه كل ميكروجرافي تمثيل للسلوك النانوي النموذجي للنانو. المستنسخة ومقتبسة من الرقم 23 بإذن من "المجتمع الملكي للكيمياء".

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

في هذا الأسلوب، وهناك بعض الخطوات التي تؤدي إلى أهمية حاسمة لضمان نجاح عملية تطعيم. أولاً، ينبغي أن تنفذ رد فعل أكسدة حفازة وساطة ثنائية الطور (الخطوة 1، 1) مع الأنابيب النانوية الكربونية متفرقة مؤخرا (الخطوة 1.1.1.5). إذا تشتت النتائج غير قادرة على البقاء ووفقا للتوصيات الواردة في البروتوكول، ستكون مفيدة إذا ما باستخدام نفس المؤشرات (الخطوة 1.1.1.6) استخدام سونيكاتور نصيحة بالموجات فوق الصوتية. قد يساعد استخدام أقصر MWCNTs أيضا في حل قضايا التشتت. ثانيا، إعداد نظام الترشيح فراغ أمر حاسم في تنقية الكفاءة (الخطوة 1.2.2). ومن هذا المنطلق، توسيط الغشاء في مجال الزجاج متكلس السطح دعم مرشح (الخطوة 1.2.2.5) قد يؤدي إلى التجاعيد الغشاء إذا لم يتبع الإجراء المناسب (وخاصة الخطوات 1.2.2.5-1.2.2.6). في حالة حدوث هذا الأخير، كرر الخطوات من 1.2.2.3 إلى 1.2.2.5 حتى يتم الحصول على التصاق تصفية متجانسة. بدلاً من ذلك، حاول أيضا بغشاء غير تبلل الإصدارات (أي لا تتبع الخطوات 1.2.2.2-1.2.2.4) ومراقبة نتائج الترشيح. استخدام الأغشية الجافة يمنع حدوث التجاعيد الغشاء أثناء التثبيت بهم في الخطوات 1.2.2.5-1.2.2.6، بينما، اعتماداً على غشاء المادية المحددة ويستخدم الشركة المصنعة، قد يتنوع الحجم الانقطاع بين إصدارات الجافة والرطبة والترشيح قد تتأثر الكفاءة تبعاً للحالة. ثالثا، رد فعل البلمرة هو الخطوة الحاسمة الأخيرة (الخطوة 2، 2). المصدر الأكثر شيوعاً لعدم كفاءة البلمرة هو استخدام مركب غير المنقي. تأكد من استخدام الستيرين المنقي طازجة باستخدام عمود محضرة جل واﻷلومينا، تغطية الحاوية مع رقائق الألومنيوم لحماية مونومر من الضوء وتبقى مخزنة في 4 درجات مئوية حتى تستخدم. استخدام موكنتس بقطر أكبر أو أطوال أقصر ينبغي أن لا تعكس أي تباين الممثل في النتائج النهائية. ومع ذلك، قد تنشأ القيود إذا استخدمت SWCNTs، الأنابيب النانوية الكربونية مزدوجة الجدران أو موكنتس مع قطر أقصر. قد يؤدي استخدام الأمثلة الثلاثة السابقة إلى تحلل هيكل أنبوب نانوي إذا نفذ في نفس الوقت رد فعل رد فعل الأكسدة (الخطوة 1.1.3). استكشاف الأخطاء وإصلاحها لهذا الأخير قد يتم عن طريق اختبار أوقات أقصر، والقيام بتحليل TGA وقدم الأشعة تحت الحمراء لتأكيد النتائج المثلى.

TGA هو أبسط طريقة لرصد النجاح في كل خطوة من خطوات التعديل الكيميائي. تسمح تحليل مباشر لخسائر جماعية وقيم درجات الحرارة حيث تحدث هذه في المنحنيات TGA حصلت بين درجة حرارة الغرفة و 1000 درجة مئوية لإجراء تقييم كمي للعائد التعديل في المنتجات (الشكل 1). يسلك منحنى TGA ل MWCNTs البكر قطره واحدة واحدة في الكتلة بين 550 و 820 ° مئوية ليصل إلى 96 في المائة في الوزن (المنحنى الأسود في الشكل 1). يتوافق مع هذه الخسارة في الكتلة إلى التحلل من الأنابيب النانوية عندما يجري التحليل إطار تدفق الهواء. تتجاوز 820 درجة مئوية الملاحظ على وزن ثابت بسبب الشوائب غير العضوية المتبقية في الناتج الخام. تحت نفس الظروف التحليل، يظهر موكنت-أوه (المنحنى الأحمر في الشكل رقم 1) إسقاط ضعف إضافية بين 200 و 300 درجة مئوية بالمقارنة مع منحنى موكنت. 22 الفرق في المئة وزنا بين منحنى موكنت وموكنت-OH في نهاية النطاق السابقة تشير إلى المحتوى الموجود في مجموعات الهيدروكسيل إدراجها إلى سيديوالس أنبوب نانوي أثناء ثنائية الطور أمواله بوساطة تفاعل الأكسدة. تم العثور على محتوى هيدروكسيل نموذجية أوه موكنت بين 2% و 5% في الوزن. وإلى جانب ذلك، غياب هذا انخفاض وزن إضافي يشير إلى أنه لم يحدث رد فعل هيدروكسيليشن. خارج نطاق درجة الحرارة هذه، يحدث تحلل كامل للأنابيب النانوية في وقت سابق في 800 درجة مئوية، في حين تحمل درجات حرارة أعلى قيمة وزن ثابت. من ناحية أخرى، يظهر منحنى TGA نموذجية موكنت-س-تمسبما إشارتي يسقط في وزن تحت نفس الظروف تدفق الهواء (المنحنى الأزرق في الشكل 1). تم العثور على فقدان الكتلة الأولى بين 380 درجة مئوية و 470 درجة مئوية، مما يتوافق مع تحلل مويتيس ميثاكريليك من تمسبما إدراج إلى مجموعات هيدروكسيليك؛ فاصل درجة الحرارة الاتفاق مع22،الأدب25 لإدراج المثل إلى أنواع مختلفة من النانو عبر الكيمياء التساهمية تمسبما. أن الانخفاض الثاني يبدأ من 550 درجة مئوية وينتهي عند 790 درجة مئوية. نشأ هذا الوزن بتحلل الكربون في الأنابيب النانوية. قيمة ثابتة في الكتلة لاحظ بعد هذا الفاصل الزمني لدرجة الحرارة يتوافق مع كل هذه المسألة غير العضوية المتبقية من الأنابيب النانوية الأصلي ومشتقات سيليكات غير متغير تشكلت خلال تحلل مويتيس تمسبما. العلاقة بين انخفاض الوزن الأولى مقارنة بثانية واحدة يتوافق مع المحتوى الموجود في تمسبما في الأنابيب النانوية. في هذا المعني، الخسارة الأولى عادة من 8% إلى 12% في الوزن بالمقارنة مع الانخفاض الثاني. نظراً لغياب أول انخفاض الوزن دليل على فشل في اقتران تمسبما لمجموعات الهيدروكسيل. وأخيراً، يظهر منحنى TGA ممثل موكنت-س-PS (المنحنى الأخضر في الشكل 1) ثلاثة اختلافات واضحة في وزن تحت تدفق الهواء، إذا ما قورنت مع نظرائهم البكر. أول انخفاض يحدث بين 270 و 380 درجة مئوية وينتج عندما تكون متحللة سلاسل البوليستيرين المطعمة بالأنابيب النانوية؛ ويتم هذا الفاصل الزمني لدرجة الحرارة وفقا22،الأدب26 ل PS المطعمة بأنواع مختلفة من مواد الكربون عن طريق إجراءات التساهمي. الوزن الثاني يبدأ في كاليفورنيا- 400 درجة مئوية، وينتهي عند 480 درجة مئوية، وينتج عن فقدان عنصر ميثاكريليك من تمسبما. أن الانخفاض الثالث يظهر في حوالي 600 درجة مئوية وينتهي عند 780 درجة مئوية وهو نتيجة للتحلل من الأنابيب النانوية. النسبة بين انخفاض الوزن الأول والثالث يوفر محتوى PS النانومترية المطعمة البوليمر. تم العثور على محتوى نموذجية في PS موكنت-س-PS بين 30% و 40% في الوزن مقارنة مع محتوى أنبوب نانوي. 23 عدم انخفاض الوزن الأولى دليل على فشل في الخطوة البلمرة.

أطياف الأشعة تحت الحمراء مترا يمكن أن تكون مفيدة تأكيد وجود المجموعات الوظيفية التفاعلية ل MWCNTs البكر (الشكل 2). وتشمل تلك المجموعات في هيدروكسيلس ومويتيس ميثاكريليك سيليلاتيد. عادة، تظهر الأطياف من موكنت-أوه (المنحنى الأحمر، الشكل 2 ألف) عصابة قوية واسعة النطاق في سم 3427-1، الذي يناظر تمتد من مجموعات ح س. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضا الاطلاع على عصابة ضعيفة ولكنها واضحة في سم 1193-1 التي تنتجها تمتد من الروابط بين الكربونات العطرية في جدران أنابيب نانوية والمجموعات يا. على العكس من ذلك، تظهر الأطياف من موكنت-س-تمسبما (المنحنى الأزرق، الشكل 2) عصابة قوية في سم 3442-1 التي تمتد من سندات يا سي تنتجها. السندات نفسها أيضا إنتاج شريطين معتدلة إضافية في 1030 سم-1 و 812 سم-1، على التوالي. وباﻹضافة إلى ذلك، تحمل السندات الكربونيل C = O في مجموعة إستر مويتيس ميثاكريليك عصابة تمتد ضعيفة في 1718 سم-1. وعلاوة على ذلك، شكلت سندات Si--قائد بين مجموعة تمسبما وأنبوب نانوي تعطي اثنين نموذجية معتدلة العصابات التي تظهر في سم 1102-1 و-1من 801 سم، بينما الفرقة الأخير جزئيا المتراكبة للفرقة المجاورة في 812 سم-1 من سي-أوه . إعطاء سندات ميثاكريليك C = C في مويتيس تمسبما المدرج متوسطة واحدة تمتد الفرقة في 1646 سم-1. وأخيراً، تقدم سي-ج السندات الواردة في الجزء سيليلاتيد عصابة تمتد ضعيفة ولكن واضحة في سم 707-1. عدم وجود العصابات في سم 1102-1 و 801 سم-1 يشير إلى احتمالين: 1) فشل في ربط التساهمية بين تمسبما ومجموعات الهيدروكسيل في الأنابيب النانوية والقضاء 2) عدم كفاءة من كواشف مختبر. عدم وجود النطاقات في 1718 سم-1 و 1646 سم-1 يبين أن غير مرغوب فيها التحلل مجموعة إستر حدث أثناء تنقية المنتج (مثلاً بالغسيل عن طريق الخطأ مع الأحماض أو القواعد).

التحليل المجهري للحلول قطره الصب استخدام THF كمذيب يمكن إظهار النمطية التجميع الذاتي السلوك في موكنت-س-PS الذي لا يحدث في البكر النظراء (الشكل 3). 23 تحمل الحلول من موكنتس البكر تحليلها بواسطة تيم بعد تبخر شبكات عشوائي نموذجية للأنابيب النانوية أو مجموعات (الشكل 3a). إلا أن تقدم عينات يعادل إعداد من موكنت-س-PS النانو المنحازة التي تحتوي على الأنابيب النانوية تربطها علاقة خطية متداخلة تجميعها ذاتيا بالجدران (الشكل 3b). ينتج هذا السلوك التلقائي-منظمة الرقع متباين إنشاؤها بواسطة سلاسل البوليستيرين المطعمة على سيديوالس للأنابيب النانوية. أمثلة نموذجية للأنابيب النانوية ذاتية التنظيم تقديم الهيئات المجتمعة التي تحتوي على ما بين اثنين وستة من الأنابيب النانوية انضمت إلى بعضها البعض على طول المحور الطولي منه. فشل في تطعيم بوليمر ينتج عادة في حالة عدم وجود هذا الاتجاه.

لقد أظهرنا أسلوب للحصول على الأنابيب النانوية الكربونية مولتيواليد مع متباين التجميع الذاتي الخصائص عن طريق تطعيم سلاسل البوليسترين على سيديوالس استخدام مسار بلمرة الجذور الحرة. يتم الحصول على مثل هذا تعديل انتقائي للخصائص السطحية للأنابيب النانوية بالخطوات المتعاقبة التعديل الكيميائي لإدراج رد الفعل المجموعات الوظيفية بصورة انتقائية سيديوالس. تسمح هذه التعديلات المتعاقبة لتحوير الرقع السطحية مما يؤدي أخيرا إلى النانو كولينيرلي والسيارات-نظمت من خلال التفاعلات غير التساهمي. ونتوقع أن هذه الاستراتيجية يمكن إعادة تطبيقها على سائر أنواع البوليمر اﻷكريليك أو الفينيل مشتق ومواد هجينة جديدة والمركبة يمكن أن تنشأ في مستقبل. وعلاوة على ذلك، نعتقد أن هذا الأسلوب سوف تفتح فرصاً جديدة في أنبوب نانوي الكربون معالجة استراتيجيات تحت ظروف جذابة للصناعة والأوساط الأكاديمية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

Acknowledgments

ونود أن نعترف بالبرامج بيب الرمزية ودجابا-بابيت من "الجامعة الوطنية المستقلة في المكسيك" (منحة الأرقام 5000-9158، 5000-9156، IA205616 و IA205316) و "المجلس الوطني" للعلوم والتكنولوجيا من المكسيك-مبرزين-(منح عدد 251533).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Tetrapropylammonium bromide, 99 % (TPABr) Sigma-Aldrich 88104 Irritant, toxic
Potassium permanganate, 99 % (KMnO4) Sigma-Aldrich 223468
Acetic acid, 99.5 % Sigma-Aldrich 45726
Pristine multiwalled carbon nanotubes, 99 % (MWCNTs) Bayer Technology Services Donated sample Harmful dusts. >1 micrometer in length and 13–16 nm in outer diameter. Alternative supplier: Nanocyl, Catalog N. NC7000, website: http://www.nanocyl.com/
Sodium Chloride, 98 % (NaCl) Sigma-Aldrich S3014 Technical grade can also be used
Ethanol, 99.8 % (EtOH) Sigma-Aldrich 32221 Technical grade can also be used
Methanol, 99.8 % (MeOH) Sigma-Aldrich 322415 Highly toxic. Technical grade can also be used
Hydroquinone, 99 % Sigma-Aldrich H9003
Toluene, 99.8 % Sigma-Aldrich 244511 Anhydrous
3-(Trimethoxysilyl)propyl methacrylate, 98 % (TMSPMA) Sigma-Aldrich 440159 Air sensitive, toxic
Azobisisobutyronitrile, 99 % (AIBN) Sigma-Aldrich 755745 Explosive
Styrene, 99 % Sigma-Aldrich S4972 Purified using an alumina gel preparative column and stored at 4 °C
Acetone, 99.5 % Sigma-Aldrich 179124 Technical grade can also be used
Tetrahydrofuran, 99.9 % (THF) Sigma-Aldrich 494461
Dichloromethane, 99.5 % Sigma-Aldrich 443484 Highly toxic
Hydrochloric acid, 37 % Sigma-Aldrich 435570 Harmful fumes

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Iijima, S. Helical Microtubules of Graphitic Carbon. Nature. 354, 56-58 (1991).
  2. Iijima, S., Ichihashi, T. Single-Shell Carbon Nanotubes of 1-nm Diameter. Nature. 363, 603-605 (1993).
  3. Dai, H. Carbon Nanotubes: Synthesis, Integration and Properties. Acc. Chem. Res. 35, 1035-1044 (2002).
  4. Karousis, N., Tagmatarchis, N. Current Progress on the Chemical Modification of Carbon Nanotubes. Chem. Rev. 110, 5366-5397 (2010).
  5. Zhao, Y. L., Stoddart, J. F. Noncovalent Functionalization of Single-Walled Carbon Nanotubes. Acc. Chem. Res. 42, 1161-1171 (2009).
  6. Zelada-Guillén, G. A., Riu, J., Düzgün, A., Rius, F. X. Immediate Detection of Living Bacteria at Ultralow Concentrations Using a Carbon Nanotube Based Potentiometric Aptasensor. Angew. Chem. Int. Ed. 48, 7334-7337 (2009).
  7. Zelada-Guillén, G. A., Blondeau, P., Rius, F. X., Riu, J. Carbon Nanotube-Based Aptasensors for the Rapid and Ultrasensitive Detection of Bacteria. Methods. 63, 233-238 (2013).
  8. Jung, Y., Li, X., Rajan, N. K., Taylor, A. D., Reed, M. A. Record High Efficiency Single-Walled Carbon Nanotube/Silicon p-n Junction Solar Cells. Nano Lett. 13, 95-99 (2013).
  9. Escárcega-Bobadilla, M. V., Rodríguez-Pérez, L., Teuma, E., Serp, P., Masdeu-Bultó, A. M., Gómez, M. Rhodium Complexes Containing Chiral P-Donor Ligands as Catalysts for Asymmetric Hydrogenation in Non Conventional Media. Chem. Soc. Rev. 141, 808-816 (2011).
  10. Miners, S. A., Rance, G. A., Khlobystov, A. N. Chemical Reactions Confined within Carbon Nanotubes. Chem. Soc. Rev. 45, 4727-4746 (2016).
  11. Rege, K., Raravikar, N. R., Kim, D. Y., Schadler, L. S., Ajayan, P. M., Dordick, J. S. Enzyme-Polymer-Single Walled Carbon Nanotube Composites as Biocatalytic Films. Nano Lett. 3, 829-832 (2003).
  12. Ma, R., Menamparambath, M. M., Nikolaev, P., Baik, S. Transparent Stretchable Single-Walled Carbon Nanotube-Polymer Composite Films with Near-Infrared Fluorescence. Adv. Mater. 25, 2548-2553 (2013).
  13. De Volder, M. F. L., Tawfick, S. H., Baughman, R. H., Hart, A. J. Carbon Nanotubes: Present and Future Commercial Applications. Science. 339, 535-539 (2013).
  14. Lehn, J. M. Perspectives in Chemistry - Steps towards Complex Matter. Angew. Chem. Int. Ed. 52, 2836-2850 (2013).
  15. Mattia, E., Otto, S. Supramolecular Systems Chemistry. Nat. Nanotechnol. 10, 111-119 (2015).
  16. Leh, J. M. Supramolecular Chemistry: Concepts and Perspectives. , VCH Verlagsgesellschaft GmBH. Weinheim, Germany. (1995).
  17. Escárcega-Bobadilla, M. V., et al. Nanorings and Rods Interconnected by Self-Assembly Mimicking an Artificial Network of Neurons. Nat. Commun. 4, 2648 (2013).
  18. Gegenhuber, T., et al. Noncovalent Grafting of Carbon Nanotubes with Triblock Terpolymers: Toward Patchy 1D Hybrids. Macromolecules. 48, 1767-1776 (2015).
  19. Peng, H., Alemany, L. B., Margrave, J. L., Khabashesku, V. N. Sidewall Carboxylic Acid Functionalization of Single-Walled Carbon Nanotubes. J. Am. Chem. Soc. 125, 15174-15182 (2003).
  20. Furtado, C. A., Kim, U. J., Gutierrez, H. R., Pan, L., Dickey, E. C., Ecklund, P. C. Debundling and Dissolution of Single-Walled Carbon Nanotubes in Amide Solvents. J. Am. Chem. Soc. 126, 6095-6105 (2004).
  21. Jeon, J. H., Lim, J. H., Kim, K. M. Fabrication of Hybrid Nanocomposites with Polystyrene and Multiwalled Carbon Nanotubes with Well-Defined Polystyrene via Multiple Atom Transfer Radical Polymerization. Polymer. 50, 4488-4495 (2009).
  22. Kim, M., Hong, C. K., Choe, S., Shim, S. E. Synthesis of Polystyrene Brush on Multiwalled Carbon Nanotubes Treated with KMnO4 in the Presence of a Phase-Transfer Catalyst. J. Polym. Sci. Pol. Chem. 45, 4413-4420 (2007).
  23. Oliveira, E. Y. S., Bode, R., Escárcega-Bobadilla, M. V., Zelada-Guillén, G. A., Maier, G. Polymer Nanocomposites from Self-Assembled Polystyrene-Grafted Carbon Nanotubes. New J. Chem. 40, 4625-4634 (2016).
  24. Shriver, D. F., Drezdzon, M. A. The Manipulation of Air-Sensitive Compounds. , John Wiley and Sons. New York, NY, USA. (1986).
  25. Bressy, C., Ngo, V. G., Ziarelli, F., Margaillan, A. New Insights into the Adsorption of 3-(Trimethoxysilyl)-propylmethacrylate on Hydroxylated ZnO Nanopowders. Langmuir. 28, 3290-3297 (2012).
  26. Wu, X., Qiu, J., Liu, P., Sakai, E., Lei, L. Polystyrene Grafted Carbon Black Synthesis via in situ Solution Radical Polymerization in Ionic Liquid. J. Polym. Res. 20, 167 (2013).

Tags

الكيمياء، مسألة 134، الأنابيب النانوية الكربونية، التطعيم، البوليستيرين، التجميع الذاتي، والمواد النانوية الهجين، والمركبة، والتوليف
تطعيم الأنابيب النانوية الكربونية مولتيواليد مع البوليستيرين لتمكين التجميع الذاتي والرقع متباين
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Arenas-García, J.,… More

Arenas-García, J., Escárcega-Bobadilla, M. V., Zelada-Guillén, G. A. Grafting Multiwalled Carbon Nanotubes with Polystyrene to Enable Self-Assembly and Anisotropic Patchiness. J. Vis. Exp. (134), e56267, doi:10.3791/56267 (2018).

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