Author Produced

ポリスチレン自己組織を有効にして異方的不均一性と多層カーボンナノ チューブを移植

Chemistry

Your institution must subscribe to JoVE's Chemistry section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





We use/store this info to ensure you have proper access and that your account is secure. We may use this info to send you notifications about your account, your institutional access, and/or other related products. To learn more about our GDPR policies click here.

If you want more info regarding data storage, please contact gdpr@jove.com.

 

Summary

プロシージャ連続化学修飾を用いたポリスチレンをグラフトした多層カーボンナノ チューブの合成手順選択的に側壁にポリマー鎖を導入、自己集合による異方的不均一性が発表しました。

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

カーボンナノ チューブの表面特性の変調を有効にする自由根本的な重合戦略により側壁にポリスチレン (PS) 鎖を持つ原始的な多層カーボンナノ チューブ (Mwcnt) を移植する簡単なプロトコルを示すとナノ構造の自己組織化超分子を生成します。まず、相性触媒による酸化反応を通じて原始的なカーボンナノ チューブの選択的水酸化反応は、側壁に反応性表面的に分散したサイトを作成します。後者の反応サイトその後、重合性のサイトを作成するシリル化したメタクリル前駆体を用いたメタクリル基で変更されます。これらの重合性グループは、ナノチューブの側壁に移植された PS 鎖を含むハイブリッドナノ材料を生産するスチレンのさらに重合をアドレス指定できます。高分子グラフト コンテンツ、シリル化したメタクリル基導入の量およびナノチューブの水酸化変更を識別して熱重量分析 (TGA) によってを定量化します。フーリエ変換の赤外分光法 (FT-IR) による反応性の官能基の水酸基とシリルのメタクリル酸の存在が確認されました。テトラヒドロ フラン (THF) のポリスチレン グラフト カーボン ナノチューブ ソリューションは、一面線上自己組織化ナノチューブのキャストとサンプルを透過電子顕微鏡 (TEM) による分析を提供します。適したブランクが非移植対応を含む類似のソリューションと同様にキャストされるときは、それらの自己アセンブリは得られません。したがって、このメソッドは、側壁に、ナノスケールでの自発的な自動組織に結果カーボンナノ チューブ異方性方法を変更できます。

Introduction

単一壁カーボン ・ ナノチューブ (カーボンナノ チューブ)1,2の発見以来科学コミュニティが最先端の広い範囲で、優れた電気的、機械的および熱的特性の3を適用アプリケーションの共有結合を介して表面特性4と非共有結合5戦略を調節することによって。これらのアプリケーションの例としてには太陽電池で6,7電極センサーのトランスデューサーとしての使用が含まれて、8異種触媒、合成、10防汚で9 nanoreactors のサポート保護フィルム、複合材料中の11フィラー剤12など。しかし、表面物性より堅牢なまだ産業的利用可能な多層対応すなわち、Mwcnt ナノスケールでの非共有結合性相互作用の方向性を制御するために調節することが難しいが残ったタスクはこれまでのところ。13

ナノスケールでの物質の組織を制御する最も汎用的な戦略の 1 つは分子のビルディング ブロックの自己組織化超分子です。14,15この意味で超分子相互作用を伴う方向、短距離とミッドレンジ非共有結合性相互作用など水素結合、ファン ・ デル ・ ワールス、双極子-双極子、イオン-双極子、双極子-誘起双極子、π-π スタッキング、カチオン-π、アニオン-π、クーロン、他の中。16残念ながら、Mwcnt などのより大きい構造の自己組織化の方向に自発的ではありません、通常外部動機力 (例えばテンプレートまたはエネルギー消費システム) が必要です。17最近後者の目標18共有結合戦略の使用の新たな選択肢を提供してその問題を解決するために追求するため共重合体仕立てとカーボンナノ チューブの使用レポート非共有結合ラッピングをやっとのことで探検に残っています。

単層カーボンナノ チューブの化学修飾は、テルミニ駅または同じの側壁に異なる官能基を導入する選択的に実行できます。19,20炭素ナノ構造の表面の特性に合わせて最も有用なアプローチの 1 つは標準的な重合ルートを通じて高分子グラフトです。通常、これらのアプローチは、重合性の予備的な前置きやナノ構造の表面と適切なモノマーと逐次重合のイニシエーター グループ(アクリル、ビニールなど)21 Mwcnt の場合異方性方法で彼らの方法を制御する側壁上の高分子鎖の共有結合の導入は挑戦を続けています。

彼らの表面の不均一性を変更するために、彼らの異方性を促進するため、Mwcnt の側壁を PS チェーンを挿入する簡単な化学修飾手順22,23のシリーズを適用する方法をここで紹介しますナノスケールで23を自己組織します。変更ルート中に最初のステップにより側壁に原始的な Mwcnt の選択的水酸化反応次、相性は触媒酸化反応すなわち、水酸化体の相手を屈する MWCNT オハイオを媒介します。2 番目の手順を使用して、3-(構築) プロピル メタクリル酸 (TMSPMA) 以前に作成されたヒドロキシル グループ (MWCNT-O-TMSPMA) にシリル メタクリル基を導入します。これらのインサートは、表面反応サイト中、第 3 ステップ、(すなわちMWCNT O PS) の終わりにナノチューブの側壁にグラフト高分子鎖をこうして降伏メタクリル基からスチレンモノマーを重合するときを提供します。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

注意: 使用前に関連するすべての材料安全データ用紙 (MSDS) を参照してください。このプロトコルで使用される化学物質のいくつかは、急性毒性と発癌性です。炭素ナノチューブの誘導体は、他の従来のばら積み炭素の同素体と比較して追加の呼吸の危険があります。それは、発がん性が解明されていない完全にこれまでのところ、エアロゾル中の単層カーボンナノ チューブが肺に影響を与える可能性がありますアスベストよりも同様の方法でこと疑いがあります。化学反応と製品処理ヒューム フードと個人用保護具の使用を含む手順を実行するときにすべての適切な安全対策を使用してください (白衣、手袋、安全眼鏡、靴、完全な長さのパンツを閉鎖) しながら適切な面体防じんフィルター特にときに使用する可能性があるカーボンナノ チューブほこりが生成されます (NIOSH N95 モデルを承認したまたはヨーロッパの EN 149 認定 FFP3 バージョン)。次の手順の一部は、標準不活性大気処理テクニックを含みます。24

1. 選択的水酸化多層カーボンのカーボンナノ チューブ22

  1. 相性は触媒 Mwcnt の酸化を介した
    1. 有機相の調製
      1. 時計ガラスやシャーレ、ビーカーに原始的な Mwcnt の 2.5 g を追加します。
      2. 80 ° C 真空オーブン、時計ガラスに適したカバー コンテナーに移動します。オーブンの真空ポンプをオンにし、システムを200 mmHg に設定します。
      3. 12 h 真空オーブン用のナノチューブを乾燥させます。この手順の後、Mwcnt の水分が除去されます。
      4. 100 mL の丸底フラスコ ガラス漏斗とヘラに乾燥させた Mwcnt を注ぐし、したら目標到達プロセスを削除します。
      5. 丸底フラスコに磁気撹拌棒を導入し、追加 〜 フラスコ、ビーカーを使用して 99% ジクロロ メタン 50 mL。塊がなくなるまで撹拌板を用いた 60 rpm で攪拌します。
      6. 10 分間攪拌した後塊がソリューションに残っている場合超音波浴にフラスコを移動し、必要に応じて 5 分繰り返し超音波処理のためのシステムをオンにします。このソリューションは、酸化反応工程で有機相になります。
    2. 水様段階の準備
      1. 25 mL のビーカーに 5 mL の蒸留水磁気撹拌棒及び攪拌板を用いたテトラプロピル アンモニウム臭化物 (TPABr) の 0.6 g を溶かしてください。
      2. 10 mL のメスフラスコに 0.253 g KMnO4蒸留水 (0.16 M 溶液) を溶解し、手でビーカー内のソリューションを保持します。このソリューションは、1.1.2.4 の手順で使用されます。
      3. 5 mL の氷酢酸 (と) を取るし、TPABr ソリューション drop-wise ボリュームに転送します。卒業ピペットと氷浴で攪拌しながら定数を使用しては、役に立つかもしれません。
        注: 混合プロセスは発熱、したがって、追加実施されなければならないゆっくりと可能な傷害を避けるために投影された水滴や、過度の温暖化によって。
      4. 0.16 M KMnO4水溶液 5 mL の約数を酸性の TPABr ソリューションに転送します。きれいな卒業のピペットを使用し、攪拌は役に立つかもしれません。
      5. 必要になるまで時計ガラスで覆われている以前のソリューションをしてください。このソリューションは、酸化反応段階で水相になります。
    3. 酸化反応
      1. 水相を有機相を含む丸底フラスコに注ぐ。この混合物は、二相性反応混合物になります。
      2. 攪拌板を使用して、80 rpm 以上で相性システムを扇動し、24 時間室温で攪拌下で混合物を残します。この後、バイオレットの水相は、ターン淡いピンクとなるカーボンナノ チューブ (MWCNT オハイオ州) を水酸化しました。
  2. MWCNT オハイオの精製
    1. 液-液抽出
      1. 150 mL または閉じた位置で活栓を 200 mL, 漏斗に二相性反応混合物を転送します。必要な場合は、ガラス漏斗とヘラを使用します。
      2. Beral ピペット、接続ゴム球のついたパスツール ピペットまたはビーカー、使用して追加 〜, 漏斗に濃塩酸の 0.25 mL。
      3. 目標到達プロセスを使用します。
        1. テフロン栓付け, 漏斗を閉じます (カーボンナノ チューブのガラスのストッパーを使用して) 5 を積極的に扇動とサッシ窓を降ろすと発煙のフード s。、攪拌時常に片方の手で目標到達プロセスに強く接続されているストッパーを押したまま、片方の手でコックをつかみます。
        2. かくはん手順の直後に漏斗を裏返し、それぞれ手で活栓を開いて圧力集結を解放します。
          注: ヒューム フードの後部に圧力の方向に対応するを確認します。
        3. 3-5 のサイクルの最後の 2 つの攪拌/圧力解放手順繰り返します。
        4. 最後のサイクルが完了すると、すぐにストッパーを削除し、固定とまで妨げられていない漏斗の相分離は明らかを残します。液液分離後水相に有機相上残る。MWCNT ああ有機相のままになります。
      4. 相分離が発生しない場合は、塩水の 1 5 mL を追加 (10-20% 食塩水でメートル/v), 漏斗 Beral ピペットやパスツール ピペットを使用して、優しく混ぜるし、相分離まで妨げられていない混合物を残します。必要になるまでを繰り返します。
      5. 相境界活栓の位置に達するまで、コックを開いたままにする 150 mL ビーカーで有機相を回復します。150 mL 三角フラスコ; 有機相を回復する代わりに使用できます。しかし、このコンテナー型からカーボンナノ チューブの検索は通常より困難です。
      6. 回収液のろ過まで時計ガラスで保護をしてください。
      7. 水相を適切に破棄します。
    2. 真空ろ過システムの設定
      1. ストッパーを座席真空ろ過システムを設定し、固定北里フラスコの首にしっかりと基本します。
      2. 47 mm 径膜フィルターに手を維持し、膜材料、製造元からの指示に応じて、この手順と次の 2 つに従い必要に応じてもの (ステップ 1.2.2.2 - 1.2.2.4)。100 mm 径充填容量の 50% のエタノール (エタノール) でシャーレを準備します。
      3. 滑らかな先端の鉗子でエタノールとシャーレに 47 mm 径の膜フィルターを配置します。2 5 分孔径 0.45 の膜を使用してくださいの EtOH 中膜を残して - 20 μ m より小さい細孔径は大きいものがろ過効率を減らすが、濾過を詰まらせます。
      4. 滑らかな先端の鉗子を用いたエタノールから膜を削除します。
      5. センター膜膜のエッジ投稿開始フィルター支持面の焼結ガラス面積が。江藤のオプションのぬれは、この手順を促進するかもしれない。
      6. センター アセンブリ上に漏斗のフランジ。膜の操作不可します。目標到達プロセスをロックし、一緒に春のクランプ ベースします。
      7. 真空源にシステムを接続します。必要になるまで、は真空を切らないでください。
    3. MWCNT オハイオのろ過
      1. 取得した有機相をガラス棒に助けられ真空ろ過漏斗に注ぐ。乾燥までサンプルをフィルター処理するために真空を適用します。
      2. 40-50 ml の洗浄ボトルで 95% メタノール (メタノール) の固体を洗浄します。ガラス棒を使用しては、このタスクに役立つ可能性があります。少なくとも 5 回この手順を繰り返します。この手順の間真空を保ちます。
      3. 洗浄後、真空乾燥固体ガラス時計で覆われた 20 分の下でシステムを残します。
      4. 膜から固体を回復するために次の手順 1.2.3.5 - 1.2.3.8 に従います。
      5. 慎重に春のクランプを削除し、垂直方向に膜とソリッドを乱すことがなく目標到達プロセスを削除します。
      6. 非常に慎重に、ヘラと滑らかな先端の鉗子の支援によりフィルターの支持面から一緒に固体膜を削除します。
      7. 100 mm 径シャーレまたは時計ガラス固体膜に転送します。
      8. すべての製品はシャーレ/時計ガラス上に堆積するまで、膜表面から固体を回復 2 つの滑らかな先端の鉗子とヘラに助けられ。
    4. 乾燥・ MWCNT oh
      1. 適した時計ガラス シャーレ/時計のカバーガラス (より大きな直径が必要)。
        注意: 静電気充電を避けるために封止フィルムを使用しないでください。
      2. 80 ° C に加熱真空オーブンにシャーレ/時計ガラスを導入します。オーブンの真空ポンプをオンにし、システムを200 mm Hg に設定します。
      3. 24 h の固体を乾燥させます。この手順の後、製品の溶剤含有量が除去されます。製品をすぐに使用しないが、必要になるまでデシケータでソリッドを格納します。

2. ポリスチレン鎖22,23 MWCNT オハイオを移植

  1. シリル化したメタクリル基を MWCNT オハイオの変更
    1. 注ぎ Schlenk のきれいな 100 mL フラスコ ガラス漏斗とヘラを使用して、2.5 g MWCNT OH とハイドロキノン 5 g、目標到達プロセスの削除、磁気撹拌棒を紹介します。
    2. Schlenk フラスコを次の徴候に従って逆流モードに設定します。
      1. Schlenk フラスコを真空/不活性ガスのフラスコのガラス ジョイントに接続されている適切なゴム製管を使用して吸気システムに接続します。閉じたフラスコのマニホールドを維持します。
      2. 設定水収入ガラス ジョイントを介して男性に最も近い共同を確かめて、適切なゴム製管を使用して水道水システムに適切なコンデンサーを接続します。
      3. 真空用グリースの均等に適用された細かい層と男性コンデンサー部に注油します。
        注: 関節は過剰製品汚染を避けるために油を塗ったしないでください。
      4. Schlenk フラスコの首にコンデンサーの男性ジョイントを取り付けます。コンデンサーの女性共同ゴム栓を閉じます。
      5. 慎重に、真空にフラスコを開きます。ナノチューブがない吸い上げる真空ラインにこのプロセスの間にことを確認します。
      6. Schlenk フラスコを N2ガスで満たしなさい。
      7. 最後の 2 つの手順を 2 回繰り返します。
      8. 正 N2ガスの流れの下でシステムを保ちます。
    3. きれいなカニューレと適切な注射器に助けられ、ゆっくりとゴム栓を介して 50 mL 乾燥トルエンを注入します。
    4. 攪拌板と熱浴を使用して、80 rpm 以上で精力的に混合物を攪拌し、室温で 5-10 分間攪拌下で混合物を残します。
    5. きれいなカニューレと注射器を使用すると、ゴム栓を介して TMSPMA の 5 mL 注入します。
    6. 100 ° C に温度を設定し、逆流と 12 時間攪拌下で反応を残します。この時間後、シリル化したメタクリル基、化学的に Mwcnt (すなわち MWCNT-O-TMSPMA) の水酸基にカップルです。
    7. 反応が終わったら、慎重にゴム栓を削除、N2の流れを閉じ、フラスコが室温になるまでを待ちます。
    8. 真空ろ過システム (ステップ 1.2.2) を設定します。
    9. 固体 (ステップ 1.2.3) をフィルター処理します。過剰のメタノールで洗浄します。
    10. 乾燥し、MWCNT O TMSPMA (ステップ 1.2.4) を格納します。
  2. 変更した Mwcnt のスチレンの重合
    1. 2.5 g MWCNT O TMSPMA のアゾビスイソブチロニ トリル (AIBN) の 75 mg を注ぎ Schlenk のきれいな 100 mL フラスコ ガラス漏斗とヘラを使用して、目標到達プロセスを削除します。
      注意: AIBN パウダーは、それは自発的に爆発するかもしれないと、熱に強く酸化剤公開されません必要があります。
    2. Schlenk フラスコに磁気撹拌棒を紹介します。
    3. Schlenk フラスコを逆流モード (ステップ 2.1.2) に設定します。
    4. きれいなカニューレと注射器を使用して、50 mL 乾燥トルエンのゴム栓に挿入します。
    5. 攪拌板、温泉を使用して、80 rpm 以上で混合物を攪拌し、室温で 5-10 分間攪拌下で混合物を残します。
    6. きれいなカニューレ、注射器に助けられ、ストッパーをスチレンの 7.5 mL を注入します。
    7. 70 ° C に温度を設定、逆流、攪拌、12 h N2の下での反応を残します。この後、PS チェーンはナノチューブの側壁 (MWCNT O PS) に移植しました。
    8. 空気にシステムを開き N2の流れを閉じる部屋の温度にフラスコを冷却します。
    9. 真空ろ過システム (ステップ 1.2.2) を設定します。
    10. フィルター処理し、固体 (ステップ 1.2.3) を洗ってください。洗浄工程中にメタノールの代わりにアセトンを使用します。20 mL の THF 非連結ポリスチレンを削除すると 5 倍以上の固体を洗浄します。
    11. 乾燥し、MWCNT O PS (ステップ 1.2.4) を格納します。
      注: ナノチューブにグラフトした高分子鎖の長さは重合段階; スチレンはトルエンの濃度を変更することによって調整できます。低濃度では、短い鎖を生成します。重合反応時間はポリマー チェーン サイズを調整する使用ことができます。反応時間の短縮は、鎖の長さを減らします。22 と 23 の詳細については参照を参照してください。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

TGA データは、原始的なカーボンナノ チューブ、水酸化カーボンナノ チューブ、シリル化したメタクリル基修飾カーボンナノ チューブ、ポリスチレン グラフト カーボンナノ チューブ (図 1) から収集されました。水酸化カーボンナノ チューブから収集された FT-IR による結果とカーボンナノ チューブ変更とシリル メタクリル基 (図 2)。TEM 像は、原始的なカーボンナノ チューブとナノチューブのポリスチレン グラフト (図 3) から収集されました。TGA 滴の質量は、カーボンナノ チューブの化学修飾の段階的な利回りを計算に使用されます。22,23,25,26 FT IR は、カーボンナノ チューブを導入した反応性の官能基の存在を確認する使用されます。TEM は、原始的な対応する物に対して高分子をグラフトしたカーボンナノ チューブの自己組織異方性の確認に使用されます。23

Figure 1
図 1: 単層カーボンナノ チューブの化学修飾の定量的な特徴づけします。TGA 曲線原始的な Mwcnt (黒)、MWCNT-オハイオ州 (赤)、MWCNT-O-TMSPMA (ブルー)、MWCNT O PS (緑)。グレー テキストと破線は、各コンポーネントが通常分解温度ゾーンを示します。

Figure 2
図 2: 単層カーボンナノ チューブに反応機能グループの確認を導入します。FT-IR スペクトル:) MWCNT オハイオ (赤) と b) MWCNT-O-TMSPMA (青)。灰色のテキストおよび純色の線は、導入された反応性基の存在を確認するため関連するバンドの位置を示します。挿入された図が変更されたカーボンナノ チューブの図式的な表示です。

Figure 3
図 3: 自己組織化高分子をグラフトしたカーボンナノ チューブの異方性。Thf 中での溶媒の蒸発後の溶液から TEM 画像 (上): ナノ構造の典型的なナノスケール挙動の表現は、各形態の下 b) MWCNT-O-PS. スキーム) 原始的な Mwcnt。王立化学協会の許可を得て再現してから適応の文献 23。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

この方法で成功した接木プロセスを保証する重要な結果いくつかの手順があります。まず、相性触媒による酸化反応 (ステップ 1.1) を最近分散したカーボンナノ チューブ (ステップ 1.1.1.5) で実施。分散プロトコルの推奨事項に従って実行不可能な場合は、超音波チップ超音波発生装置の使用は同じ徴候 (ステップ 1.1.1.6) を使用している場合に参考になります。短い Mwcnt を用いた分散問題の解決にも役立ちます。第二に、浄化効率 (ステップ 1.2.2) 吸引ろ過システムの設定が欠かせません。この意味で、フィルター支持面 (ステップ 1.2.2.5) の焼結ガラス面積の膜を中心とした可能性があります膜しわの手順に適切に従わない場合 (特に、ステップ 1.2.2.5 - 1.2.2.6)。後者が発生した場合は、均質なフィルター接着が得られるまで手順 1.2.2.3 に 1.2.2.5 を繰り返します。また、また非接液膜を試す (すなわち1.2.2.4 1.2.2.2 - の手順に従っていない) バージョンしろ過の結果を確認します。乾燥膜の使用手順 1.2.2.5 - 1.2.2.6、その固定中の膜のしわの発生を防止は、一方、ドライとウェットのバージョンとろ過膜材料使用される、選択したメーカーによって、カットオフ サイズが異なる場合があります。効率は、ケースに応じて影響可能性があります。第三に、重合反応は、最後の重要なステップ (ステップ 2.2) です。非効率的な重合の最も一般的なソースは、非精製モノマーの使用です。モノマーを光から保護し、使用されるまで 4 ° C で保存され続けるアルミホイルで容器を覆い、アルミナ分取カラムを使用して新鮮な精製スチレンを使用することを確認します。大きな直径と距離が短くなる Mwcnt の使用する必要があります最終的な成果の代表的な変化を反映していません。しかし、カーボンナノ チューブ、二重壁カーボンナノ チューブまたは短い直径 Mwcnt を使用する場合、制限が生じる可能性があります。同じ反応時間のため酸化反応 (ステップ 1.1.3) が行われる場合、以前の 3 つの例の使用はカーボンナノ チューブ構造の分解にあります。後者のトラブルシューティング テスト時間の短縮と、最適な結果を確認する (tga)、FT-IR による分析によってされることがあります。

TGA は、化学修飾の各ステップの成功を監視するための最も簡単な方法です。質量減少率とこれらの部屋の温度と 1000 ° C の間得られた TGA 曲線に発生場所の温度値の直接分析 (図 1) の製品変更収量の定量化を可能にします。原始的な Mwcnt の TGA 曲線は、質量 550 ° C と ° C、820 重量 (図 1の黒い曲線) で 96% までの間で 1 つの 1 つのドロップを展示します。空気の流れの下で分析を行った場合、この損失質量ではナノチューブの分解に対応します。820 の ° C を超える原料製品の残りの無機不純物により一定の重量を観察しています。同じ分析条件下では、MWCNT オハイオ (図 1の赤いカーブ) は、200 ° C と MWCNT 曲線と比較して 300 ° C 間の弱いドロップを示しています。22 MWCNT 曲線と前の範囲の終わりに MWCNT ああ重量 % の違いは、ナノチューブの側壁に触媒、相性の中に挿入されるヒドロキシル グループのコンテンツを介した酸化反応を示します。MWCNT オハイオの典型的な水酸基は、重量で 2% と 5% の間に発見されます。その上、この付加的な重量ドロップの不在は、ヒドロキシル化反応が発生しなかったことを示します。温度範囲を超えるナノチューブの完全な分解中発生します以前 800 ° c より高い温度一定の重量値を買う余裕します。その一方で、同じ空気の流れ条件 (図 1の青の曲線) の下で重量の低下 2 個の連続 MWCNT O TMSPMA の典型的な TGA 曲線を示しています。380 ° C 〜 470 ° C、細孔グループに挿入される TMSPMA からメタクリル基の分解に相当する最初の大量損失を発見します。温度間隔は、同様に共有結合化学経由でナノ構造体のさまざまな種類を挿入 TMSPMA の文学22,25と一致しています。2 番目のドロップ 550 ° C で始まり、790 ° c. で終わりますこの減量はナノチューブ中の炭素の分解によって起きる。この温度間隔は両方に対応した後に観測された質量定数値元ナノチューブと非揮発性ケイ酸塩誘導体から残りの無機物質 TMSPMA 鎖の分解中に形成。2 つ目と比較して最初の重錘落下間の関係は、カーボンナノ チューブで TMSPMA のコンテンツに対応します。この意味で、最初の損失は通常 2 番目のドロップに比べて重量で 8% から 12% のであります。最初の重錘落下の不在は、ヒドロキシル グループへの TMSPMA の結合の失敗の証拠です。最後に、MWCNT-O-PS (図 1の緑の曲線) の代表的な TGA 曲線は、自然のままの対応と比較すると、空気の流れの下で重量で 3 つの明確なパターンを示しています。最初のドロップ 270 ° C、380 ° C 間で発生し、ナノチューブを接ぎ木したポリスチレン鎖が分解され; 場合が生成されます。温度のこの間隔は、共有手順炭素材料の異なる種類に接木 PS の文学22,26に従ってです。2 番目の重量損失は400 ° C で始まり、480 ° C、TMSPMA からメタクリル コンポーネントの損失によって生成されるで終わります。3 番目ドロップ 600 ° C のまわりに表示されますと 780 ° C で終了し、ナノチューブの分解の結果です。最初の重量ドロップと 3 つ目の比率は、高分子をグラフトしたカーボンナノ チューブで PS のコンテンツを提供します。MWCNT O PS の PS で典型的なコンテンツは、カーボンナノ チューブのコンテンツと比較して重量で 30% と 40% の間発見されます。23最初の重錘落下の欠如は、重合工程で失敗の証拠です。

赤外吸収スペクトルは、(図 2) の自然のままの Mwcnt を導入した反応性の官能基の存在を確認することができます。これらのグループには、シリル化したメタクリル基と、水酸基が含まれます。通常、MWCNT-オハイオ州 (赤い曲線、図 2 a) からスペクトルは、3427 cm-1O H グループの伸張に対応する幅広い強力なバンドが表示されます。さらに、弱いながらも明確なバンドは、OH 基とカーボンナノ チューブ壁の芳香族炭素間の結合の伸縮によって生成される 1193 cm-1にも見つけることが。それどころか、MWCNT-O-TMSPMA (青の曲線、図 2 b) からのスペクトルは 3442 cm-1 SI-OH 結合の伸縮によって生成される強力なバンドを表示します。同じ社債もそれぞれ 1030 cm-1 812 cm-1、2 つの追加適度なバンドを生成します。また、メタクリル基のエステル基のカルボニルの C = O 結合は 1718 cm-1に弱いストレッチ バンドを買う余裕します。また、Si OC 債間に形成された TMSPMA グループとカーボンナノ チューブを与える 2 つ典型的な中程度のバンド 1102 cm-1 801 cm-1で表示される最後のバンドは Si オハイオ州から 812 cm-1に隣接バンドに部分的に重複.挿入 TMSPMA 鎖のメタクリル C = C 結合を与える 1 つの適度な 1646 cm-1にバンドをストレッチします。最後に、シリル化した部分に含まれている Si C 債券は 707 cm-1に弱いが、明確なストレッチ バンドを提供します。1102 cm-1と 801 cm-1に帯の存在しない場合は 2 つの可能性: 1) TMSPMA カーボンナノ チューブと反応の 2) 非効率的な除去で水酸基と共有リンクに失敗しました。それはエステル基の加水分解が発生製品精製 (例えば誤って酸や塩基を洗浄することにより) 望ましくない 1718 cm-1と 1646 cm-1に帯の欠如を示しています。

溶剤自己典型的な示すことができる、THF を用いたドロップ キャスト溶液の微視的分析行動 MWCNT-O-PS 原始的な対応 (図 3) では発生しません。23原始的な Mwcnt を蒸発させた後、TEM によって分析からソリューション余裕カーボンナノ チューブまたはクラスター (図 3 a) の典型的なランダム ネットワーク。ただし、MWCNT O PS から調製した同等のサンプルは、コリニア カーボンナノ チューブ壁 (図 3 b) によって自己形成を含んでいる一直線に並べられたナノ構造を提供します。この自動機構の動作は、ナノチューブの側壁に接ぎ木したポリスチレン鎖によって生成される異方性の不均一性によって生成されます。その縦軸に沿って互いに 2 つと六つのナノチューブ間を含む集合体が付着した自己組織化ナノチューブの典型的な例を提供します。高分子グラフト化の失敗は、通常その傾向の欠如の結果です。

我々 は自己組織異方性と多層カーボンナノ チューブを得る方法を示しているプロパティを介して自由根本的な重合ルートを使用して側壁にポリスチレン鎖を移植します。ナノチューブの表面特性の選択を変更は、側壁に選択的に反応性の官能基を挿入する手順を連続化学修飾によって得られます。これらの連続的な修正最終的に非共有結合性相互作用を通じて線上の自動編成のナノ構造に起因する表面の不均一性の調節を可能にします。この戦略は他のアクリルやビニール誘導体高分子型と新しいハイブリッド材料に再適用することができ、複合体が将来的に発生する可能性を見込んでいます。さらに、このメソッドが業界と学界にとって魅力的な条件下での戦略を処理カーボンナノ チューブの新しい機会を開くだろうと考えています。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

著者が明らかに何もありません。

Acknowledgments

メキシコ国立自治大学 (許可番号 5000-9158、5000-9156、IA205616 と IA205316) から FQ PAIP と DGAPA PAPIIT のプログラムを確認したいと思います、メキシコから理工国家評議会-CONACYT-(番号の付与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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics