Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Sentezi ve diskotik Zirkonyum Fosfatların Eksfoliasyon Kolloidal Sıvı Kristaller Edinme

8.3K görüntülenme

⸱

DOI:

10.3791/53511

⸱

25 Mayıs 2016

 ,  ,  , 
1Department of Materials Science and Engineering, Texas A&M University, 2Artie McFerrin Department of Chemical Engineering, Texas A&M University, 3Mary Kay O'Connor Process Safety Center, Texas A&M University, 4Professional Program in Biotechnology, Texas A&M University

Bu makalede

Özet

Diskotik zirkonyum fosfatın iki boyutlu model materyali geliştirildi. Katmanlı yapıya sahip inorganik kristal, hidrotermal, geri akış ve mikrodalga destekli yöntemlerle sentezlendi. Organik moleküllerle pul pul dökülme üzerine, katmanlı kristaller tek tabakalara dönüştürülebilir ve yeterli monotabaka konsantrasyonunda nematik sıvı kristal faz oluşturulmuştur.

Özet

Doğal kildeki bollukları ve ileri malzemelerdeki potansiyel uygulamaları nedeniyle, diskotik nanopartiküller bilim adamları ve mühendisler için ilgi çekicidir. Bu tür anizotropik nanokristallerin basit bir kimyasal yöntemle büyütülmesi zorlu bir iştir. Bu çalışmada, model materyal olarak zirkonyum fosfatın [Zr(HPO4)2·H2O] diskotik nanodiskleri hidrotermal, geri akış ve mikrodalga destekli yöntemler kullanılarak üretilmiştir. Kristallerin büyümesi, reaksiyona giren türlerin süresi, sıcaklığı ve konsantrasyonu ile kontrol edilir. Benimsenen yöntemlerin yeniliği, polidispersiteyi kontrol altında tutarken yüz nanometreden birkaç mikrometreye kadar değişen boyutlarda diskotik kristallerin elde edilebilmesidir. Katmanlı diskotik kristaller, tetra- (n) -bütil amonyum hidroksit [(C4H9)4NOH, TBAOH] ile pul pul dökülme yoluyla tek katmanlara dönüştürülür. Pul pul dökülmüş diskler izotropik ve nematik sıvı kristal fazları gösterir. Disk süspansiyonlarının boyutu ve çok dağılımlılığı, faz davranışlarına karar vermede son derece önemlidir.

Giriş

Diskotik kolloidler kil, asfalten, kırmızı kan hücreleri ve sedef şeklinde doğal olarak bol miktarda bulunmaktadır. Polimer nanokompozitler 1, biomimetic malzemeler, fonksiyonel membranların 2, diskotik sıvı kristal çalışmaları 3 ve 4 diskotik kolloidal nanodisks dayalı geliştirilirken Pickering emülsiyon stabilizatörleri dahil olmak üzere birçok mühendislik sistemlerinde uygulamalar, bir dizi. muntazamlığı ve düşük poli sahip Nanodisks fazlar ve sıvı kristaller dönüşümleri çalışmaları için önemlidir. Zirkonyum fosfat (ZrP) iyi sıralı katmanlı yapısı ve kontrol boy oranı (çapı üzerinde kalınlığı) ile sentetik nanodisks olduğunu. Bu nedenle, ZrP farklı sentezinin keşif diskotik sıvı kristal sisteminin temel anlayış oluşturulmasına yardımcı olmaktadır.

ZrP yapısı 1964 5 Clearfield ve Stynes ​​ile açıklığa kavuşturulmuştur. ZrP, hidrotermal katmanlı kristallerinin sentezi için vereflü yöntemler yaygın 6,7 kabul edilir. Geri akış yöntemi aynı süresi zaman küçük kristaller verirken Hidrotermal yöntem olup, 400 ile% 25 6 içinde 1.500 nm ve poli kadar boyutuna iyi bir kontrol sağlar. Mikrodalga ısıtma nano 8 sentezi için umut verici bir yöntem olduğu kanıtlanmıştır. Ancak, mikrodalga destekli güzergah üzerinde ZrP sentezini açıklayan hiçbir kağıtları vardır. Boyut, en boy oranı ve hidrotermal yöntemi ile kristal büyüme mekanizması üzerinde etkili bir kontrol sistemli grubumuza 6 ile incelenmiştir.

ZrP kolay sulu süspansiyonlar içinde mono-tabaka olarak dağılmış olabilir ve pul pul dökülmüş ZrP Cheng'e grubunda 3,9-13 sıvı kristal malzeme olarak kurulmuştur. Şimdiye kadar, çeşitli çaplarda exfoliated ZrP nanodisks, farklı boy oranları büyük ZrP alt con de I (izotropik) -N (nematik) geçiş vardı sonucuna çalışılmıştır demekDaha küçük ZrP 3 ile karşılaştırıldığında sentrasyonu. Nematik sıvı kristal fazın oluşumu polidispersite 3, tuz 9 ve sıcaklık 10,11 etkileri de dikkate alınmıştır. Ayrıca, bu tür sematic sıvı kristal faz olarak başka fazlar yanı 13,14 incelenmiştir.

Bu makalede, biz böyle bir kolloidal ZrP nanodisks süspansiyon deneysel gerçekleşmesini göstermektedir. Katmanlı ZrP kristaller farklı yöntemler kullanılarak sentezlenir ve daha sonra tek tabakalı nanodisks elde etmek üzere, sulu ortam içinde dağılmış olan. Sonunda, bu sistem tarafından sergilenen sıvı kristal faz geçişleri göstermektedir. Bu diskler bir önemli yönü, çapı oranının kalınlığı diskleri 3 boyutuna bağlı olarak 0.05 0.0007 aralığındadır onların yüksek ölçüde anizotropik doğasıdır. yüksek ölçüde anizotropik tek tabaka nanodisks nanodisks süspansiyonları faz geçişleri çalışmak için bir model sistem kurmak.

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

Protokol

Hidrotermal Yöntemle α-ZrP 1. Sentezi

  1. Zirkonil klorür oktahidrat 6 g (ZrOCl 2 · 8H 2 O), 3.75 mi, 150 ml (Dİ) su deiyonize edilmiş yuvarlak dipli bir reaksiyon kabına çözülür.
  2. Kuvvetli karıştırma altında (Dİ) su deiyonize 8.25 ml ilave edilmiş, adım 1.1 hazırlanan ZrOCl 2 çözeltisine 15 M fosforik asit (3 konumundaki H atomu PO 4) damla damla 48 ml ilave edilir.
  3. 80 mi hacim Teflon astarlı basınç kabına jel benzeri bir karışım elde dökün. paslanmaz çelik kabuk ve kapak, baskı plakası oluşan hidrotermal otoklav içine bir kap yerleştirin ve sonra iyi sıkın.
  4. 24 saat boyunca 200 ° C'de konveksiyon fırınında içine hidrotermal otoklav yerleştirin.
  5. Tepkimeden sonra, hidrotermal otoklav oda soğutma altında, oda sıcaklığında 8 saat soğumaya bırakın.
  6. 2 de santrifüj kullanılarak soğuduktan sonra santrifüj tüpüne α-ZrP diskleri toplamak,10 dakika boyunca 500 x g. Üste kalan sıvının aşındırıcı olan girmemiş fosforik asit içerdiğinden atık bertaraf konteynerine sıvı kısmı toplayın.
    1. Daha sonra, yine 10 dakika süre ile 2500 x g de 1 dakika santrifüj hazır ZrP a kadar, 40 ml su, girdap ekleyin. asit Tüm yıkanıp olduğundan emin olmak için bu adım 3 kez tekrarlayın.
  7. daha sonra, 65 ° 8 saat C en fırınında ZrP su yapışkan karışımı havan tokmağı ve havan kullanarak öğütülür.

Reflü Yöntemi ile α-ZrP 2. Sentezi

  1. 150 ml 12 M fosfat asit 50 ml yuvarlak tabanlı bir şişe · 8H 2 O ZrOCl 2 6 g karıştırın.
  2. Aşama 2.1'de elde edilen karışım 24 saat boyunca 94 ° C'de yağ banyosu içinde geri akışa alınmıştır.
  3. Aşama 1.6 DI su ile, aynı protokol çerçevesinde üç kez ürün yıkayın ve daha sonra 8 saat süre ile, 65 ° C'de bir fırında kurutulmuştur.
  4. Bir havan ve tokmağı ve stok f kullanarak toz haline kurutulmuş hacimli örnek eziyetveya daha sonra kullanın.

Mikrodalga destekli Yöntemi ile α-ZrP 3. Sentezi

  1. 12 M fosforik asit çözeltisi 9 ml ZrOCl 2 · 8H 2 O 1 g ekleyin ve bir 20 mL sintilasyon şişesine iyi elde edilen karışım karıştırılır.
  2. Mikrodalga reaktör için belirlenen 10 ml'lik bir cam kaba, yukarıdaki karışım 5 ml dökün.
  3. 150 ° C, 300 psi basınç sınırında yer alan reaksiyon sıcaklığı ve reaksiyon, 1 saat boyunca olmasına izin verin.
  4. reaksiyondan sonra, cam kap yaklaşık 15 dakika soğumasını ve ardından asit yıkama ve α-ZrP kristallerin kurutulması için Adımlar 1,6-1,7 gibi aynı prosedürü takip edelim.

Mono tabakaları halinde Tabakalı α-ZrP 4. soyulmasi

  1. Bir 20 mL sintilasyon şişesine DI 10 ml su içine α-ZrP 1 g dağıtılır.
  2. en az 40 saniye için ve vorteks TBAOH (% 40 wt.) 2.2 ml ilave edilir. TBAOH 1 olarak tutulur: Zr o molar oranı dikkat edin 1.
  3. 1-2 saat için elde edilen konsantre edildi süspansiyon sonikasyon ve TBA + iyonlarının ve kristallerin tam pul pul dökülme tam birleşmesini sağlamak için 3 gün boyunca bırakın. İsteğe bağlı olarak, konsantre edilir Süspansiyon daha pul pul dökülme elde edilmesi için, su ile (2 ila 3 kat seyreltilmiş) inceltilebilir.
  4. alt kısmında yerleşmiş, kısmen dağılmış kristalleri kaldırmak için 1 saat boyunca yüksek dönme hızı (2500 xg) exfoliated örnekleri santrifüj. Başka bir kapta (ZrP Pullu) üst kısmını toplamak ve hiçbir tortu bulunana kadar işlemi tekrarlayın.

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

Sonuçlar

Şekil 1a-c gösterisi sırasıyla hidrotermal, reflü, ve mikrodalga destekli yöntemler, elde edilen α-ZrP nanodisks SEM görüntüleri. Bu α-ZrP nanodisks şekil ve sentez koşulları ve hazırlanan yöntemlerine bağlı olarak, farklı kalınlıkta altı köşeli olduğu gözlendi. Grubumuzun 6 A önceden bildirilen çalışma kristal büyüme zaman 48 saat ya da yukarıda, disklerin kenar keskin hale önerir. Genellikle, geri akış yöntemi verimleri boyut olarak daha küçük ve fosforik as...

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

Tartışma

reflü yöntemi, muntazam çap ve kalınlıkta α-ZrP daha küçük bir boyut yapmak için iyi bir seçenektir. hidrotermal yönteme benzer şekilde, geri akış yöntemi hazırlanması zaman ile sınırlıdır. Genel olarak, bu kristallerinin oluşması için gerekli uzun bir zaman alır.

geri akış yöntemi için gerekli olan uzun bir reaksiyon süresi daha büyük bir boyuta sahip nanodisks neden olabilir. dağılmış nanodisks ortalama boyutu, dinamik ışık saçılımı (DLS) ile ölçülür. Bu çalışmada, eksfolyatif ZrP nanodisk...

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

Açıklamalar

Açıklanacak bir şey yok.

Teşekkürler

Bu çalışma kısmen NSF (DMR-1006870) ve NASA (NASA-NNX13AQ60G) tarafından desteklenmektedir. X. Z. Wang, Texas A&M Üniversitesi'ndeki Mary Kay O'Connor Proses Güvenliği Merkezi'nden (MKOPSC) destek aldığını kabul ediyor. Ayrıca rehberliği için Min Shuai'ye teşekkür ederiz.

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

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Malzeme< / güçlü >
Zirkonil Klorür OktahidratFischer Scientific (Acros Organics)AC20837-5000%98 +
o < / em >-Fosforik AsitFischer ScientificA242-1& # 8805;% 85
Tetra Butil Amonyum HidroksitAcros Organics (Acros Organics)AC176610025ağırlıkça% 40 (1.5  M)
< güçlü > Ekipman< / güçlü >
Reaksiyon FırınıFischer ScientificCL2 santrifüj İzosıcaklıkFırını (350 'ye kadar sıcaklık; ° C)
SantrifüjThermo ScientificMevcut DeğilDönme Hızı: 100 - 4.000 rpm
Mikrodalga ReaktörüCEM CorporationDiscover ve Explorer SPSıcaklığı. 300 'ye kadar; ° C, 300 nbsp'ye kadar güç; W, 30 'ye kadar basınç; çubuk

Kaynaklar

  1. Usuki, A., Hasegawa, N., Kato, M. Polymer-clay nanocomposites. Adv Polym. 179, 135-195 (2005).
  2. Varoon, K., et al. Dispersible Exfoliated Zeolite Nanosheets and Their Application as a Selective Membrane. Science. 334, 72-75 (2011).
  3. Mejia, A. F., et al. Aspect ratio and polydispersity dependence of isotropic-nematic transition in discotic suspensions. Phys. Rev. E. 85, (1-12) 061708(2012).
  4. Bon, S. A. F., Colver, P. J. Pickering miniemulsion polymerization using Laponite clay as a stabilizer. Langmuir. 23, 8316-8322 (2007).
  5. Clearfield, A., Stynes, J. A. The preparation of crystalline zirconium phosphate and some observations on its ion exchange behaviour. J. Inorg. Nucl. Chem. 26, 117-129 (1964).
  6. Shuai, M., Mejia, A. F., Chang, Y. W., Cheng, Z. Hydrothermal synthesis of layered alpha-zirconium phosphate disks: control of aspect ratio and polydispersity for nano-architecture. Crystengcomm. 15, 1970-1977 (2013).
  7. Sun, L., Boo, W. J., Sue, H. -J., Clearfield, A. Preparation of α-zirconium phosphate nanoplatelets with wide variations in aspect ratios. New J. Chem. 31, 39-43 (2007).
  8. Gawande, M. B., Shelke, S. N., Zboril, R., Varma, R. S. Microwave-sssisted chemistry: synthetic applications for rapid assembly of nanomaterials and organics. Accounts Chem. Res. 47, 1338-1348 (2014).
  9. Chang, Y. -W., Mejia, A. F., Cheng, Z., Di, X., McKenna, G. B. Gelation via Ion Exchange in Discotic Suspensions. Phys. Rev. Lett. 108, (1-5) 247802(2012).
  10. Wang, X., et al. Thermo-sensitive discotic colloidal liquid crystals. Soft Matter. 10, 7692-7695 (2014).
  11. Li, H., Wang, X., Chen, Y., Cheng, Z. Temperature-dependent isotropic-to-nematic of charged nanoplates. Phys. Rev. E. 90, (1-4) 020504(2014).
  12. Chen, M., et al. Observation of isotropic-isotropic demixing in colloidal platelet-sphere mixtures. Soft Matter. 11 (28), 5775-5779 (2015).
  13. Sun, D., Sue, H. -J., Cheng, Z., Martinez-Raton, Y., Velasco, E. Stable smectic phase in suspensions of polydisperse colloidal platelets with identical thickness. Phys. Rev. E. 80, (1-6) 041704(2009).
  14. Wong, M., et al. Large-scale self-assembled zirconium phosphate smectic layers via a simple spray-coating process. Nat. Commun. 5, 3589(2014).
  15. Diaz, A., et al. Zirconium phosphate nano-platelets: a novel platform for drug delivery in cancer therapy. Chem. Commun. 48, 1754-1756 (2012).
  16. Kim, H. -N., Keller, S. W., Mallouk, T. E., Schmitt, J., Decher, G. Characterization of zirconium phosphate/polycation thin films grown by sequential adsorption reactions. Chem. Mater. 9, 1414-1421 (1997).

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

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

Zirkonyum FosfatHidrotermal YöntemReflü YöntemiMikrodalga DestekliDiskotik NanodisklerEksfoliasyon TekniğiTetrabütil Amonyum HidroksitLikit Kristal FazlarTaramalı Elektron MikroskobuTransmisyon Elektron Mikroskobu
Sentezi ve diskotik Zirkonyum Fosfatların Eksfoliasyon Kolloidal Sıvı Kristaller Edinme
Bize Ulaşın
Kütüphaneye Öner

Gizlilik

Kullanım Koşulları

Politikalar

Telif Hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.