Yöntem makalesi

Katman-katman Sentezi ve Müstakil Konjuge mikro gözenekli polimer Nanomembranlar Devri

DOI:

10.3791/53324

⸱

15 Aralık 2015

 ,  ,  , 
1Institute of Functional Interfaces, Karlsruhe Institute of Technology

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu yazıda, konjuge mikro gözenekli polimerlerin (CMP) kurban substratlar üzerindeki arayüzey sentezini ve bağımsız CMP nanomembranlarının hazırlanması için substratın çözünmesini açıklıyoruz. Ek olarak, kırılgan nanomembranların diğer substratlara nasıl aktarılabileceğini açıklayacağız.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

CMP gibi büyük yüzey alanlı malzemeler nedeniyle üstün termal ve kimyasal stabilite ile kombinasyon halinde işlevsel gruplar yüksek değişkenlik ve düşük seviyedeki yoğunluklara kadar, son zamanlarda ilgi giderek artan çekmiştir. Böyle sıkma kaplama gibi genellikle uygulanan teknikler mevcut olmadığından Ancak, çözünmeyen doğa kendi işlenmesinde sorunlara neden olmaktadır. Özellikle CMP ince filmlerin işleme arzu edilir membran uygulamaları için, işleme sorunları ticari uygulama engellemiştir.

Burada, moleküler katman-katman (Lbl) sentez yoluyla fonksiyonalize yüzeylerde CMP ince filmlerin ara yüzey sentezini tarif eder. Bu işlem, istenen kalınlığı ve kompozisyon ve daha da arzu edilen bir bileşim eğimlere sahip filmlerin hazırlanması sağlar.

Kurban desteklerin kullanımı desteği dağılmasından sonra tarafından müstakil membranların hazırlanması veriyorsentez. Böyle ultra-ince müstakil membranlar işlemek için kurban kaplamalarla koruma Nanomembranlar kopma önlemek için, büyük söz gösterdi. İstenen substrata Nanomembranlar aktarmak için, kaplanmış membranlar hava-sıvı arayüzünde upfloated ve daha sonra daldırma ile kaplama yoluyla transfer edilir.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ultra ince polimer membranların hazırlanması, gaz ayırma ve nanofiltrasyon uygulamaları için büyük ilgi görmektedir. Sentezdeki zorluklar, (a) membran kalınlığının ve homojenliğinin kontrolü ve (b) bu tür kırılgan membranların transferi ile temsil edilir. Zorluk (a)'nın üstesinden gelmek için, moleküler katman katman sentez1, katı-sıvı arayüzünde büyütülen ince filmlerin kalınlığını ve homojenliğini kontrol etmede büyük umut vaat etmiştir. 2,3 Katman sayısını kontrol etmek, film kalınlığını doğrusal olarak kontrol eder. lbl yöntemi, yüzeye monte metal organik çerçevelerin (SURMOF'lar) imalatı için başarıyla kullanılmıştır,4-7 ayrıca polimer zincirlerinin lbl reaksiyonu yoluyla ince polimer filmlerin sentezi gösterilmiştir. 8 Zorluk (b) bu ultra ince membranların kullanımı ile ilgilidir. Nanomembranların yırtılmasını veya kırışmasını önlemek için, kaplamaların fedakar destekleri büyük umut vaat etmektedir. 9

Burada, istenen kalınlık ve bileşime sahip moleküler yapı taşlarının sıralı eklenmesi yoluyla konjuge mikro gözenekli polimer (CMP)10-13 ince filmlerin sentezi için ayrıntılı bir protokol sunacağız. Bağımsız CMP nanomembranların hazırlanması kurban desteği kullanılarak gerçekleştirilir. CMP nanomembranlarını işlemek ve diğer desteklere aktarmak için, membranları kurban kaplamalarla korumak ve bunların sıvı hava arayüzüne yükselmesi ve ardından daldırma kaplama kullanılarak aktarılması için basit bir protokol açıklayacağız.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Sıralı ilavesi yoluyla CMP İnce Filmlerin 1. Sentezi

  1. Mika altın Kendinden montajlı tek tabaka (SAM) işlevsellik.
    1. Etanol 11-tioasetil-undekan asit-propargyl amid 14 1 mM çözeltisi (SAM-çözüm) hazırlayın. Çözelti berrak olana kadar ultrasonik banyo kullanarak karıştırın. Alüminyum folyo kullanarak ışık şişeyi koruyun.
    2. Argon altında, altın kaplı mika gofret elde edilir. Depolama kabından çekilmesinden sonra 18 saat boyunca SAM-çözümün doğrudan mika gofret batırmayın.
    3. SAM-çözümün dışında hazırlanan Au-mika gofret alın azot akımı altında etanol ve kuru ile durulayın. Daha sonra ışık ve inert gaz altında korunan substrat saklayın.
  2. Öncü çözümleri.
    1. 18,64 mg Cu-katalizörün (tetrakis (asetonitril) bakır (I) 'in sentezi fosfat), 20,83 mg tetraphenylmethane (TPM) -alkyne ve 24,22 mg TPM azid tartılır ve ayrı bir Schlenk şişesi içine, her bir bileşen doldurun.TPM alkin ve TPM azid için bakınız Şekil 1., sentez Başvurusu 15 tarif edilmiştir. Boşaltın ve inert gaz (N2 veya argon) ile 3 kez doldurun.
    2. Her bir Schlenk şişesine 25 ml su içermeyen tetrahidrofuran (THF) ilave edilir. Alüminyum folyo kullanarak ışık TPM azid ve TPM-alkin ile şişeler koruyun.
  3. CMP imalatı için aparat hazırlayın.
    Not: Sentez cihazı, Şekil 2 'de gösterilmiştir.
    1. Bir 250 ml'lik tek boyunlu, yuvarlak tabanlı bir şişeye kullanın. 130 mi THF içinde doldurun. Alkin ile kaplanmış hazırlanan alt tabaka koymak örnek bölmesine SAM sonlandırıldı. Alt-tabaka dik duran, böylece örnek tutucu kullanın.
    2. Reflü soğutucusunun üstündeki kavşağında yolu ile savurma hattına cihazı bağlayın.
    3. 3 kez boşaltın ve inert gaz ile havalandırın.
  4. Soy gaz koşulları altında Sıralı ek.
    1. 90 ° C'ye kadar ısıtıcı ayarlayın ve THF yeniden olana kadar bekleyineritken.
    2. Numune bölmesinin alt kısmındaki çıkışında üzerinde numune bölmesinden THF dışarı edelim. Çıkışını kapatın.
    3. Hazırlanan TPM azid çözeltisi 1 ml ve septumla vidalı kapakla numune kompartımanı Cu (I) 'in katalizör çözeltisi 0,5 ml ver. Reaksiyon aparatı savurma şişesi çözümleri sırayla aktarmak için bir oyuk bir iğne ile bir şırınga kullanın. Not: dizisi reaksiyona herhangi bir etkisi yoktur.
    4. Yaklaşık 30 dakika bekleyin.
    5. Numune bölmesinin alt kısmındaki çıkışında üzerinde reaksiyon çözüm olsun. Çıkışını kapatın ve numune durulama özet THF toplamak. Yaklaşık 30 dakika bekleyin.
    6. Numune bölmesinin alt kısmındaki çıkışında üzerinde durulama çözüm olsun. Çıkışını kapatın.
    7. Hazırlanan TPM alkin çözeltisi 1 ml ve septumla vidalı kapakla numune kompartımanı Cu (I) 'in katalizör çözeltisi 0,5 ml ver. Içi boş bir şırınga kullanınİğne Reaksiyon cihazına bir Schlenk şişesi çözeltiler sıralı olarak aktarmak için kullanılır. Not: dizisi reaksiyona herhangi bir etkisi yoktur.
    8. Yaklaşık 30 dakika bekleyin.
    9. Numune bölmesinin alt kısmındaki çıkışında üzerinde reaksiyon çözüm olsun. Çıkışını kapatın ve numune durulama özet THF toplamak. Yaklaşık 30 dakika bekleyin.
    10. Tekrarlayın tabakalarının istenilen miktara varıncaya kadar 1.4.9 için 1.4.3 adımlar. Not: Bir katman yaklaşık olarak 1 nm kalınlığındadır.
    11. , CMP-kaplı mika substrat çıkarıp THF, etanol ile durulayın ve azot akımı altında kurutun.

CMP Nanomembranlar 2. Transferi

  1. Poli (metil metakrilat) (PMMA) çözeltisi eklendi.
    1. Etil asetat içinde% 4 (ağırlık) PMMA (M 996 kDa) ihtiva eden bir çözelti hazırlayın. Çözelti berrak olana kadar PMMA ultrasonik banyo kullanarak eritin.
  2. PMMA çözümünün Spin kaplama.
    1. Ra spin kaplayıcı ayarlamp süresi 0 rpm 4000 ila 10 saniye, saat 40 sn tutup 4,000 0 rpm zamanı 10 sn rampa.
    2. Spin kaplayıcı CMP kaplı mika substrat yerleştirin ve tamamen kaplıdır kadar gofret PMMA çözümünü koydu. Spin kaplayıcı başlatın.
    3. Döndürerek kaplama tamamlandıktan sonra, 90 ° C'de bir ısıtma plakası üzerinde 5 dakika boyunca numune koydu.
    4. Kaplanmış mika substrat her kenarından 1 mm kesti. Kenarları kesmek için bir makas kullanın.
  3. PMMA Devri CMP nanomembrane kaplı.
    1. Ve KI / H2O (1:10 a / a) I 2 / KI / H 2 solüsyonu O (: 4 40 a / a / a 1) hazırlayın.
    2. Çanak kristalleştirilmesi 150 ml I2 / KI H2O çözeltisi doldurun ve çanak kristalleştirilmesi 100 ml KI / H2O çözeltisi doldurun. I 2 / KI / H2O çözeltisi üzerine, çözeltiye temas mika, mika alt tabaka üzerine kaplanmış PMMA CMP altın koyun. O lavabo olmadığını dikkatli olun.En az 5 dakika bekleyin.
    3. I 2 / KI / H2 çözeltisine temas mika KI / H2O çözeltisi üzerine solüsyon, PMMA kaplı CMP altın mika alt-tabakanın koyun. O lavabo olmadığını dikkatli olun. En az 5 dakika bekleyin.
    4. Çanak kristalleştirilmesi 250 ml damıtılmış su doldurun. Mika gelen PMMA / CMP / altın filmi atacakmısınız. Hafif damıtılmış su içinde, bir kenarından başlayarak, alt-tabakanın içine daldırılması yapın. Mika suya bakacak şekilde alt tabakayı tutun. Not: süreci Şekil 3 'de gösterilmiştir.
    5. Dip kat silikon gofret PMMA / CMP / altın. O yüzme PMMA / CMP / altın zarın kenarına temas edene kadar gofret ile yavaş yavaş PMMA / CMP / altın yaklaşarak bunu yapın. Si-gofret PMMA / CMP / altın zar ile temas halinde olduğu zamanlar, yavaş yavaş silikon gofret çekin.
    6. Silikon gofret PMMA / CMP / altın filmi atacakmısınız. Biraz tek ed itibaren, alt tabakayı daldırarak yapınge, I 2 / KI / H 2 O çözüm. 15 dakika bekleyin.
    7. Altın tamamen kazınmış sonra silikon vasıtasıyla suya PMMA / CMP zarı aktarın. 15 dakika bekleyin.
    8. Üç kez adımı yineleyin 2.3.7 suyla membran yıkayın.
    9. Aşama 2.3.5 belirtilen yöntemle, istenen alt-tabaka, örneğin, bir mikroskop lamı veya altın kaplama silikon yıkanarak PMMA / CMP membran aktarın. En az 2 saat süreyle havada PMMA / CMP substrat kurumasını bekleyin.
  4. PMMA Feshi.
    1. Aseton PMMA / CMP substratı koyun. 30 dakika bekleyin. Substrat çıkarın ve aseton ile durulayın.
    2. Adımı yineleyin 2.4.1 üç kez.
    3. En az 2 saat CMP substrat kurumasını bekleyin.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Membranlar 16 Şekil 4, bir altın gofret transfer CMP-membran IRRA-spektrumlarını göstermektedir kızıl ötesi yansıtma absorpsiyon spektroskopisi (IRRAS). Ile karakterize edilir. Aromatik omurga titreşimlerden tipik bantlar 1605 cm -1, 1515 cm -1 ve 1412 cm -1 altındadır. Reaksiyona girmemiş alkin ve azid grupları 2125 cm -1 ve 1227 cm -1 karakteristik bantlar ile görülebilir. 5 taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüsü ...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

CMP-film oluşturucu sentezi için katalizör çözeltisi taze olarak yer alır. Kırık bir katalizör (örneğin, yükseltgenmiş) çözeltisinin bir mavi rengi ile gösterilir. Taze bir çözüm renksizdir.

Bir önemli nokta sıkma kaplama PMMA'nın sonra mika substrat kenarları kesmektir. Ayrıca alt tabaka kusurlar kesilmelidir örneğin, her spot PMMA nedeniyle eksik altın tabakası, mika alt-tabaka ile temas olabilir edildi. Aksi takdirde altın tabakası kolayca mika substrat dan sıyrılıp ...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yoktur.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarların teşekkür hakkı yok.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
AsetonVWR BDH Prolabo20066.330AnalR NORMAPUR
Potasyum iyodürVWR BDH Prolabo26846.292AnalR NORMAPUR
Etil asetatVWR BDH Prolabo23882.321AnalR NORMAPUR
Tetrahidrofuran (THF)VWR BDH Prolabo28559.320HiPerSolv CHROMANORM
THF susuzMerck Kırlangıç1.08107.1001SeccoSolv
İyotSigma-Aldrich20,777-2
Tetrakis (asetonitril) bakır (I) heksafloro-fosfatSigma-Aldrich346276-5G
Poli (metil metakrilat) 996 kDa (PMMA)Sigma-Aldrich182265-25G
1.1.1.1 Metantetrayltetrakis (4-azidobenzen) (TPM-azid)AK Prof. Bräse tarafından sağlanmıştır. Organik Kimya Enstitüsü, Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü. 9'ya göre sentezlenir.
1.1.1.1 Metantetrayltetrakis (4-etilenbenzen) (TPM-alkin)AK Prof. Bräse. Organik Kimya Enstitüsü, Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü tarafından sağlanmıştır. 9'ya göre sentezlenir.
11-tiyoasetil-undekanasit proparjilamitAK Prof. Bräse. Organik Kimya Enstitüsü, Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü tarafından sağlanmıştır. 8'ye göre sentezlenir.
altın/titan kaplı silisyum gofretGeorg Albert PVD, 76857 Silz, Almanya
altın kaplamalı mikaGeorg Albert PVD, 76857 Silz, Almanya

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Lindemann, P., et al. Preparation of Freestanding Conjugated Microporous Polymer Nanomembranes for Gas Separation. Chemistry of Materials. 26 (24), 7193-71 (2014).
  2. Kim, M., et al. Preparation of Ultrathin Films of Molecular Networks through Layer-by-Layer Cross-Linking Polymerization of Tetrafunctional Monomers. Macromolecules. 44 (18), 7092-7095 (2011).
  3. Vonhören, B., et al. Ultrafast Layer-by-Layer Assembly of Thin Organic Films Based on Triazolinedione Click Chemistry. ACS Macro Letters. 4 (3), 331-334 (2015).
  4. Shekhah, O., et al. Step-by-Step Route for the Synthesis of Metal−Organic Frameworks. Journal of the American Chemical Society. 129 (49), 15118-15119 (2007).
  5. Shekhah, O., Wang, H., Zacher, D., Fischer, R. A., Wöll, C. Growth Mechanism of Metal–Organic Frameworks: Insights into the Nucleation by Employing a Step-by-Step Route. Angewandte Chemie International Edition. 48 (27), 5038-5041 (2009).
  6. Shekhah, O., Liu, J., Fischer, R. A., Wöll, C. MOF thin films: existing and future applications. Chemical Society Reviews. 40 (2), 1081-1106 (2011).
  7. Liu, J., et al. Deposition of Metal-Organic Frameworks by Liquid-Phase Epitaxy: The Influence of Substrate Functional Group Density on Film Orientation. Materials. 5 (9), 1581-1592 (2012).
  8. Such, G. K., Quinn, J. F., Quinn, A., Tjipto, E., Caruso, F. Assembly of Ultrathin Polymer Multilayer Films by Click Chemistry. Journal of the American Chemical Society. 128 (29), 9318-9319 (2006).
  9. Ai, M., et al. Carbon Nanomembranes (CNMs) Supported by Polymer: Mechanics and Gas Permeation. Advanced Materials. 26 (21), 3421-3426 (2014).
  10. Jiang, J. -X., Cooper, A. I. in Functional Metal-Organic Frameworks: Gas Storage, Separation and Catalysis. Topics in Current Chemistry. (ed Martin Schröder) Ch. 293, Springer. Berlin Heidelberg. 1-33 (2010).
  11. Dawson, R., Cooper, A. I., Adams, D. J. Nanoporous organic polymer networks. Progress in Polymer Science. 37 (4), 530-563 (2012).
  12. Muller, T., Bräse, S. Click Chemistry Finds Its Way into Covalent Porous Organic Materials. Angewandte Chemie International Edition. 50 (50), 11844-11845 (2011).
  13. Tsotsalas, M., Addicoat, M. A. Covalently linked organic networks. Frontiers in Materials. 2, (2015).
  14. Kleinert, M., Winkler, T., Terfort, A., Lindhorst, T. K. A modular approach for the construction and modification of glyco-SAMs utilizing 1,3-dipolar cycloaddition. Organic & Biomolecular Chemistry. 6 (12), 2118-2132 (2008).
  15. Plietzsch, O., et al. Four-fold click reactions: Generation of tetrahedral methane- and adamantane-based building blocks for higher-order molecular assemblies. Organic & Biomolecular Chemistry. 7, (2009).
  16. Greenler, R. G. Infrared Study of Adsorbed Molecules on Metal Surfaces by Reflection Techniques. The Journal of Chemical Physics. 44 (1), (1966).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Serbest Duran NanomembranlarFedak r DestekDald rma Kaplama TransferiK z l tesi SpektroskopiTaramal Elektron MikroskobuSpin KaplamaPolimer Film SenteziMembran leme

İlgili makaleler