Method Article
توضح هذه المقالة إعداد nanofoams النيكل أمر جيد للكهرباء عن طريق ترسب المعادن على القوالب نانوية مسامية تم الحصول عليها من supramolecules استنادا الذاتي تجميعها من البوليمرات diblock.
الرغاوي معدنية نانوية مسامية تمتلك مزيجا فريدا من الخصائص - فهي نشطة حفاز، حراريا وموصل بالكهرباء، وعلاوة على ذلك، يكون المسامية العالية، وارتفاع نسبة السطح إلى الحجم والقوة إلى الوزن. للأسف، نهج مشتركة لإعداد النانو المعدنية تقديم المواد مع الهندسة المعمارية المختلين للغاية، والتي قد يكون لها تأثير سلبي على خصائصها الميكانيكية. بوليمرات كتلة لديها القدرة على تجميع الذاتي في أمر النانو ويمكن تطبيقها كقوالب لإعداد nanofoams معدنية أمر جيد. نحن هنا وصف تطبيق مجمع كتلة القائمة على مجموعة من البوليمرات supramolecular - البوليسترين كتلة بولي (4 vinylpyridine) (pentadecylphenol) PS-B-P4VP (PDP) - تمهيدا لأمر جيد رغوة النانوية النيكل. المجمعات supramolecular يحمل السلوك مرحلة مماثلة لبوليمرات كتلة التقليدية، ويمكن تجميع الذاتي في bicontinuous gyroid التشكل الطرافةح شبكتين PS ضعت في P4VP (PDP) المصفوفة. PDP يمكن حله في الإيثانول مما يؤدي إلى تشكيل بنية مسامية التي يمكن ردم مع المعدن. باستخدام تقنية الطلاء للكهرباء، يمكن إدراج النيكل إلى قنوات القالب. أخيرا، يمكن إزالة البوليمر المتبقية عن طريق الانحلال الحراري من البوليمر / nanohybrid غير العضوية مما أدى إلى نانوية مسامية رغوة النيكل مع التشكل gyroid العكسية.
هناك العديد من التقنيات المتاحة لإعداد nanofoams المعادن: dealloying 1-3، النهج سول جل 4،5، 6،7 nanosmelting، والتوليف الاحتراق 8. في عملية dealloying، والمواد ابتداء وعادة ما يكون سبيكة ثنائي، على سبيل المثال، سبيكة من الفضة والذهب. المعدن أقل نبلا والفضة في هذه الحالة، يمكن إزالتها إما كيميائيا أو electrochemically مما أدى إلى المختلين رغوة الذهب التي يسهل اختراقها مع الأربطة nanosized. في التوليف الاحتراق، والمعادن غير مختلطة مع السلائف حيوية التي تطلق الطاقة خلال التحلل ويدفع تشكيل الرغوة النانوية المعدنية 8. وتشير الدراسات على السلوك الميكانيكي للرغاوي المعدنية التي في أبنية المختلين الضغوط لا يمكن أن تنتقل على نحو فعال من المقياس النانوي الرباط إلى macroscale عموما 9-11. وهكذا يتوقع أن لها خصائص ميكانيكية متفوقة بالمقارنة مع nanofoams معدنية أمر جيدتلك المختلين.
فكرة الممثلة هنا هو استخدام بوليمرات كتلة التي تجمع الذاتي في النانو كما أمرت السلائف إلى nanofoams المعادن. اعتمادا على تكوين كتلة كوبوليمر، فإن العدد الإجمالي من وحدات مونومر ومدى التنافر بين الكتل متصل كيميائيا، تظهر مختلف الأشكال التضاريسية مثل: كروية، أسطواني، رقائقي، gyroid مزدوجة، رقائقي مثقب سداسي، وغيرهم 12-14 . وعلاوة على ذلك، وكتل البوليمر يمكن أن يتحلل بشكل انتقائي مما أدى إلى مواد نانوية مسامية 15. وتشمل الأساليب الأكثر شيوعا: ozonolysis 16-18، أشعة فوق البنفسجية 19، رد الفعل ايون النقش 20-22، 23-26 وانحلال. يمكن ردم الهياكل التي يسهل اختراقها ولدت مع مختلف المواد غير العضوية. عادة ما يتم تقديمها أكاسيد المعادن (مثل شافي 2، تيو 2) عن طريق وسيلة سول جل في قنوات القالب 27-29. شوتستخدم الطلاء ectrochemical وللكهرباء عادة لإيداع المعادن في أو على القوالب 30-33. أخيرا، يمكن إزالة البوليمر المتبقية من البوليمر / nanohybrid غير العضوية عن طريق الانحلال الحراري 2، حل 34،35، 28،29 تدهور للأشعة فوق البنفسجية، الخ
في نهجنا، ونحن نبدأ من مجمع supramolecular من البوليسترين-كتلة بولي (4 vinylpyridine) (PS-B-P4VP) كوبوليمر diblock وpentadecylphenol amphiphilic (PDP) الجزيئات. هذا المجمع هو نتيجة من الرابطة الهيدروجينية بين PDP وحلقات البيريدين (الشكل 1A). يتم اختيار تركيبة انطلاق كتلة كوبوليمر وكمية أضاف PDP في مثل هذه الطريقة التي حصلت على نظام تجميع الذاتي في التشكل gyroid مزدوجة bicontinuous مع شبكة PS وP4VP (PDP) مصفوفة (الشكل 1B). تصبح جزيئات المذاب PDP انتقائي في الإيثانول وP4VP سلاسل انهيار على شبكة PS (الشكل 1C). في وقت لاحق، وذلك باستخدام طريقة الطلاء للكهرباء، وتودع النيكل في المسام من القالب (الشكل 1D). بعد إزالة البوليمر المتبقية عن طريق الانحلال الحراري، يتم الحصول على gyroid النيكل رغوة النانوية أمر جيدا (الشكل 1E).
1. إعداد وتوصيف PS-B-P4VP (PDP) مجمعات مع مزدوجة Gyroid الصرف
2. انشاء وتوصيف هيكل المسامية
3. الإدراج النيكل في قالب بوليمر
4. التعرض للمعكوس Gyroid النيكل رغوة
مورفولوجية مجمعات supramolecular يتم فحص PS-B-P4VP (PDP) × كتبها تيم وSAXS أرقام 2A و 2B عرض أنماط gyroid نموذجية من مجمع supramolecular ممثل: المزدوج موجة وأنماط عربة العجلات التي هي معروفة لتمثيل التوقعات من خلال (211) و(111) طائرة من الخلية وحدة gyroid، على التوالي. المجالات كتلة PS تظهر مشرق في حين تظهر P4VP (PDP) نطاقات كتلة خ الظلام بسبب اليود تلطيخ. يمثل الشكل 2C نمط المزدوج موجة من عينة مختلفة من gyroid التي انخفضت وتيرة مع عامل من 2. قمم في SAXS مواقف: √ 6Q *، √ 8Q *، √ 14Q *، * √ 22q، و√ 50Q * تأكيد bicontinuous الأولى أ 3 د مورفولوجية (الشكل 2D) عينة.
ثبت الإزالة الكاملة للPDP عن طريق إخضاع PS-B-P4VP (PDP) × معقدة لالإيثانول بنسبة 1H NMR وDSC. بعد العلاج الإيثانول، جميع 1 H NMR إشارات مميزة لPDP غائبة ويتم استرداد الطيف من مجموعة من البوليمرات diblock. بالإضافة إلى ذلك، فإن البيانات DSC يعني أن السلوك الحراري للعينة الايثانول المعالجة والتي من كوبوليمر diblock متطابقة. يتم تحديد الخصائص التكوينية للقالب gyroid التي يسهل اختراقها من قبل ممثل امتصاص النتروجين والزئبق porosimetry. مساحة محددة BET من 104 م 2 / ز عالية نوعا ما، وقالب تحتل ما يقرب من 60٪ المجلد، ومتوسط قطر المسام هو 40 نانومتر، وتوزيع حجم المسام ضيقة جدا (الشكل 3).
قبل الطلاء للكهرباء، وتودع المحفز المشتريات على سطح القالب gyroid لتوجيه الحد من أيون النيكل انتقائية. تباعا، معدن النيكل يملأ المسام من القالب البوليمر. الشكل 4A يمثل صورة مجهرية تيم من النيكل مطلي عينة غير ملوثين gyroid والتعاونntrast في الصورة تنبع من المعدن المودعة في nanochannels. بالإضافة إلى ذلك، فإن نمط عربة عجلة مميزة يؤكد الحفاظ على التشكل gyroid مزدوجة خلال خطوات المعالجة. الميكروسكوب HR TEM (أرقام 4B و 4C) تظهر كبيرة نسبيا، البلورة ني مترابطة وتحليل EDX (الشكل 4D) يكشف عن التركيب الكيميائي للعينة مطلي. كما هو متوقع، ويلاحظ الكربون والنيكل قمم بارزة، جنبا إلى جنب مع ذروة الأوكسجين التي تشير إلى أكسدة رغوة النانوية النيكل عند تخزينها في الهواء.
أخيرا، تتحلل البوليمر المتبقية عن طريق تسخين isothermally في 350 درجة مئوية لمدة لا يقل عن نصف ساعة، وترك شبكة النيكل سليمة. النيكل طبق الاصل يتعرض يحافظ على التشكل gyroid عكسية على نحو ما أكده SEM (الشكل 5).
الشكل 1. تمثيل تخطيطي لإعداد الرغوة النانوية المعدنية gyroid (أ) التركيب الكيميائي للsupramolecular المعقدة PS-B-P4VP (PDP) ×. (ب) gyroid Bicontinuous مورفولوجية PS-B-P4VP (PDP) × تبين PS (الازرق) وP4VP (PDP) × (برتقالي) شرائح. (ج) القالب نانوية مسامية بعد زوال PDP. (د) بواسطة ترسب للكهرباء، وتملأ الفراغات بين الدعامات PS مع النيكل. (ه) Gyroid رغوة النانوية النيكل بعد إزالة قالب البوليمر عن طريق الانحلال الحراري. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم. .
الشكل 2 (أ، ب) من micrographs تيم PS-B-P4VP (PDP) × عينة مع س = 1.5، و P4VP (PDP) = 0.69 M والمجموع = 135،000 غ / مول، تمثل الموجة المزدوجة و عربة عجلة نمط gyroid، على التوالي. (ج، د) صورة مجهرية تيم ونمط SAXS من gyroid PS-B-P4VP (PDP) × عينة مع س = 0.8، و P4VP (PDP) = 0.59 M والمجموع = 90،600 غ مول -1. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم. .
الرقم 3. مسام حجم التوزيع من القالب gyroid مسامية المستمدة من PS-B-P4VP (PDP) × معقدة مع س = 1.0، و P4VP (PDP) = 0.62 M والمجموع = 83300 جم / مول. ويمثل الرسم البياني مشتقة حجم المسام التراكمي مباراة قطر المسام. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4 (أ) صورة تيم من النيكل مطلي غير ملوثين قالب البوليمر gyroid المستمدة من PS-B-P4VP (PDP) × معقدة مع س = 1.0، و P4VP (PDP) = 0.62 M و المجموع = 83300 جم / مول. يمثل صورة عربة عجلة نمط gyroid. (ب، ج) وصور HR TEM تظهر البلورة ني كبيرة نسبيا ومترابطة. (د) نمط EDX من النيكل مطلي عينة تبين الكربون والنيكل قمم بارزة، جنبا إلى جنب مع ذروة الأوكسجين التي تشير إلى أكسدة رغوة النانوية النيكل عند تخزينها في الهواء. ذروة النحاس تنبع من الشبكة تستخدم كوسيلة لدعم. النيكل مطلي عينة (ب، ج، د) مشتق من PS-B-P4VP (PDP) × معقدة مع س = 0.8، و P4VP (PDP) = 0.59 M والمجموع = 90،600 غ مول -1. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 5. الميكروسكوب SEM من معكوس gyroid النسخة المتماثلة النيكل المستمدة من PS-B-P4VP (PDP) × معقدة مع س = 1.5، و P4VP (PDP) = 0.69 M والمجموع = 135،000 غ / مول. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
يتم طبع الأرقام بإذن 36. جميع الحقوق محفوظة 2011 جمعية الكيميائية الأميركية.
يتم تطبيقها بنجاح المجمعات Supramolecular كما السلائف لnanofoams معدنية أمر جيد. في هذه الطريقة، فإن الخطوة الحاسمة هي للحصول على القالب المناسب، أي قالب مع التشكل gyroid. في الرسم البياني مرحلة من بوليمرات كتلة المنطقة gyroid صغير جدا وأنه من الصعب بل لاستهداف. هذا يعني أنه إذا كان يتم استخدام بوليمرات كتلة التقليدية والمواد الأولية، والتوليف تفصيلا جدا أن تتكرر حتى تكوين المطلوب، الذي يؤدي إلى التشكل gyroid، يتم التوصل إليه. في PS-B-P4VP (PDP) مجمعات تركيبات مختلفة، وبالتالي الأشكال التضاريسية مختلفة، لا يمكن أن يتحقق ببساطة شديدة - عن طريق تغيير كمية PDP المضافة. على الرغم من أن المنطقة gyroid في الرسم البياني مرحلة PS-B-P4VP (PDP) مجمعات صغيرة نسبيا كذلك، فمن الممكن الحصول على المجمعات gyroid مع أحجام مجال مختلف. من المهم جدا أيضا أن ندرك أن في diblock البوليمرات التقليدية مع غرايمورفولوجيا رويد، المكون شبكة أقلية تحتل كاليفورنيا. المجلد 35٪ ومصفوفة غالبية المكون كاليفورنيا. المجلد 65٪. وهكذا، فإن إزالة مصفوفة النتائج في قالب يسهل اختراقها للغاية والتي يسهل اختراقها في المقابل أقل بكثير البنية النانوية المعدنية. نحن هنا فقط إزالة جزء من المصفوفة وبالتالي، فإن المسامية من رغوة المعادن النهائية ستكون أعلى من 50٪ المجلد وهو معدل مرتفع بما يكفي لتلبية الاحتياجات العامة لتشكيل الرغوة النانوية المعدنية 5. علاوة على ذلك، في نهج كتلة كوبوليمر التقليدية، إذا تم إزالة أكسيد البولي ايثيلين (بيو) أو عديد حمض اللبنيك (جيش التحرير الشعبى الصينى) كتلة من PS-B-PEO أو PS-B-37 جيش التحرير الشعبى الصينى، والناتجة PS سطح مسعور من قالب يسهل اختراقها سيتطلب التعديل قبل الطلاء للكهرباء 38. هنا، وجود P4VP الهالة القطبية على سطح القالب يسهل تغلغل الكواشف المستندة إلى المياه المستخدمة في عملية الطلاء للكهرباء ويلغي هذا modificatiعلى الخطوة.
nanofoams المعدنية، وكطبقة جديدة وتطوير المواد، ومن المتوقع أن يكون تغيير وتحسين في المستقبل القريب لتلبية احتياجات محددة. يمكن أن تختلف تركيبتها الكيميائية، وعلى سبيل المثال، والاتحاد الافريقي، حج، النحاس، الكوبالت، الخ. يمكن إعداد nanofoams. بالإضافة إلى ذلك، كتلة كوبوليمر النموذجيه يمكن دمجها مع dealloying الرائدة nanofoams معدنية لمسامية هرميا. السبائك المعدنية (مثل الاتحاد الافريقي، حج) يمكن أن تودع في القنوات قالب كتلة كوبوليمر عبر طريقة الطلاء للكهرباء. بعد تدهور البوليمر، وهو معدن أقل نبلا (على سبيل المثال حج) يمكن إزالتها عن طريق dealloying مما أدى إلى الاتحاد الافريقي رغوة النانوية المسامية هرميا. وعلاوة على ذلك، فإن هيكل الرغوة النانوية المعدنية يمكن ضبطها من خلال الاختلاف في التشكل من كوبوليمر كتلة الانطلاق. إلى جانب المرحلة gyroid، منع الأشكال التضاريسية من البوليمرات مثل كابوس سباك 39 أو الشبكة Fddd معيني متعامد المحاور40-42 من المرشحين للاهتمام لإعداد الرغوة النانوية المعدنية. لا يزال فحص مجال nanofoams المعادن سيئة وأنه من المتوقع أن تجلب الاكتشافات المثيرة في المستقبل.
الكتاب تعلن أي المصالح المالية المتنافسة.
نحن نعترف الدعم المالي من قبل معهد Zernike للمواد المتقدمة، جامعة جرونينجن.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
REAGENTS: | |||
PS-b-P4VP, CAS: 26222-40-2 | Polymer Source Inc. | P9009-S4VP P136-S4VP P5462-S4VP P3912-S4VP | additional information are provided in a separate table |
PDP | Aldrich | P4402-100G-A | recrystallized twice from petroleum ether |
SnCl2 | Acros Organics | 196981000 | |
PdCl2 | Aldrich | 76050 | |
NiSO4 x H2O | Sigma-Aldrich | 227676 | |
lactic acid | Aldrich | W261106 | |
citric acid trisodium salt | Sigma-Aldrich | C3674 | |
borane dimethyl amine complex | Aldrich | 180238 | |
PS-b-P4VP catalogue number | Mn (PS), g/mol | Mn(P4VP), g/mol | PDI |
P9009-S4VP | 24000 | 9500 | 1.1 |
P136-S4VP | 31900 | 13200 | 1.08 |
P5462-S4VP | 37500 | 16000 | 1.3 |
P3912-S4VP | 41500 | 17500 | 1.07 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved