Buradaki iki bloklu kopolimer Supramolecules ikinci Gyroid Nikel Nanoyapılar

Bu makalede, kendi kendine bir araya iki bloklu kopolimer esaslı supramolecules elde edilen nano gözenekli şablon üzerine akımsız metal kaplama ile de sıralı nikel nanofoams hazırlanmasını tarif etmektedir.

Nanoporous metal köpükler, benzersiz bir özellikler kombinasyonuna sahip olan - bunlar, termal ve elektriksel olarak iletken, katalitik olarak aktif olan ve bundan başka, yüksek gözeneklilik ve yüksek bir yüzey-hacim-ve ağırlık-ağırlık oranına sahiptir. Ne yazık ki, metalik Nano hazırlanması için genel yaklaşımlar, mekanik özellikleri üzerinde olumsuz bir etkiye sahip olabilir son derece bozuk mimari malzeme ile işlenir. Blok kopolimerleri sipariş Nano halinde kendi kendine birleşebilen yeteneğine sahip ve iyi sıralı metal nanofoams hazırlanması için şablon olarak uygulanabilir. Burada bir blok kopolimer-esaslı supramoleküler kompleksinin uygulamasını tarif - polistiren-blok-poli (4-vinilpiridin) (pentadesilfenol) PS-b-P4VP (PDP) - iyi sıralı nikel nanofoam için bir ön-madde olarak. Supramoleküler kompleksleri geleneksel blok kopolimerleri benzer bir faz davranışı sergiler ve iki-sürekli olmakta gyroid morfolojisi wit halinde kendi kendine birleşebilen olabilirBir P4VP (PDP) matris içinde yerleştirilmiş iki saat PS ağlar. PDP metal ile geri dolduruldu edilebilir gözenekli bir yapının oluşumuna yol açan, etanol içinde çözündürülebilir. Elektriksiz kaplama tekniği kullanılarak, nikel şablonunun kanal içine sokulabilir. Son olarak, kalan polimer ters gyroid morfolojisi olan nano gözenekli nikel bir köpük olarak elde edilen polimer / inorganik nanohibrit ikinci piroliz yolu ile uzaklaştırılabilir.

Metal nanofoams hazırlanması için mevcut çeşitli teknikler vardır: ^1-3 Bozunumu, ^{sol-jel, 6,7} nanosmelting, ^4,5 yaklaşımları ve yanma sentezi ^8. Bozunumu işleminde, başlangıç ​​malzemesi, genellikle, örneğin bir ikili alaşım, gümüş ve altın bir alaşımdır. Daha az soy metal, bu durumda, gümüş, ya kimyasal ya da elektro-kimyasal bağ ile nano boyutlu bir düzensiz altın gözenekli bir köpük elde kaldırılabilir. Yanma sentezde, metal ile ayrışma sırasında enerjiyi serbest bırakır ve metal nanofoam ⁸ oluşumunu tahrik enerjik bir öncüsü ile karıştırılır. Metal köpüklerin mekanik davranışı ile ilgili çalışmalar düzensiz mimarilerinde gerilmeler genel ^makro-9-11 bağ nano itibaren etkili bir şekilde iletilmesini edilemez olduğunu ^{göstermektedir.} Böylece iyi sıralı metal nanofoams ile karşılaştırıldığında, üstün mekanik özelliklere sahip olmaları beklenmektedirdüzensiz olanlar.

Burada temsil Fikir metal nanofoams için ön-maddeler olarak sipariş Nano halinde kendi kendine birleşebilen blok kopolimerleri kullanmaktır. Küresel, silindirik, ince tabakalı, çift gyroid, altıgen delikli lameller, ve diğerleri ^12-14: bir blok kopolimer, monomer birimlerinin toplam sayısı ve kimyasal olarak bağlı olan bloklar arasındaki itme ölçüde bileşimine bağlı olarak, çeşitli morfolojileri gibi görünür . Bundan başka, polimer blokları nano gözenekli malzeme ¹⁵ yol seçici olarak parçalanabilir. En yaygın yöntemler şunlardır: ozon ayrışımını ^16-18, UV ışınlaması ^19, reaktif iyon aşındırma ^{20-22, 23-26} ve çözünme. Oluşturulan gözenekli yapılar, çeşitli inorganik malzemeler ile geri dolduruldu edilebilir. Metal oksitler (örneğin, SiO _2, TiO _2), genellikle şablonunun kanal içine ^27-29, sol-jel yöntemi ile tanıtılmaktadır. Electrochemical ve elektriksiz kaplama genellikle ^30-33 içine veya şablonlar üzerine metal yatırmak için kullanılır. Son olarak, kalan polimer vb piroliz ^2, çözünme ^{34,35, 28,29} UV bozulması vasıtasıyla polimer / inorganik nanohibrit kaldırılabilir

Bizim bir yaklaşım olarak, polistiren-blok-poli (4-vinilpiridin) bir supramoleküler kompleksi (PS-b-P4VP) iki bloklu kopolimer ve amfifilik pentadesilfenol (PDP) molekülleri başlar. Bu kompleks PDP ve piridin halkaları (Şekil 1a) arasındaki hidrojen bağı bir sonucudur. Başlangıç ​​blok kopolimerin bileşimi ve ilave PDP miktarı öyle bir şekilde seçilir ki, bir ağ ve bir PS P4VP (PDP) matris ile, çift süreklilikteki çift gyroid morfolojisinde elde sistemi öz-montaj (Şekil 1b). PDP molekülleri seçici PS ağı (üzerine etanol ve P4VP zincirleri çöküşü çözülmüş olurŞekil 1c). Daha sonra, elektriksiz kaplama yöntemi kullanılarak, nikel şablon (Şekil 1d) gözenekleri içine yatırılır. Piroliz yoluyla geri kalan polimerin çıkarılmasından sonra, iyi düzenlenmiş bir gyroid nikel nanofoam (Şekil 1e) elde edilir.

Çift Gyroid Morfoloji 1. Hazırlanması ve PS-b-P4VP karakterizasyonu (PDP) Kompleksleri

1. Tartılır polistiren-blok-poli (4-vinilpiridin) (PS-b-P4VP) ve pentadesilfenol (PDP, E _r = 304,51 g / mol.) Olmalıdır gyroid morfolojisi elde etmek için dikkatlice PDP miktarını seçmek _{((P4VP (PDP)} f) ca olmalıdır P4VP (PDP) bloğun ağırlık fraksiyonu. 0,6 doğrusal AB diblok kopolimerlerin faz diyagramına göre). Genellikle, PS-b-P4VP of 0,15-0,2 g (adım 1.3 'de kullanılan bir Petri kabı çapı 5-6 cm olduğu göz önüne alındığında) PS-b-P4VP 50-100 mikron kalınlığında (PDP) filmler yol açar. Aşağıdaki denklemlere göre PDP miktarını hesaplayın:
   
   
   
   
2. Kloroform içinde PS-b-P4VP ve PDP çözülür ve oda sıcaklığında bir kaç saat için karıştırılmıştır. Homojen kompleks oluşumunu sağlamak için ağırlıkça% 2 altında polimer konsantrasyonunu korumak.
3. Cam bir Petri kabı içine çözüm dökün.
4. Doymuş kloroform atmosfere çanak yerleştirin.
5. Yaklaşık bir hafta sonra, Petri kabı çıkarın. Supramoleküler kompleks bir film oluşturulur.
6. Gece boyunca 30 ° C'de vakum içinde film kurutun.
7. Özel olarak tasarlanmış bir kap içinde film yerleştirin, kaptan havayı çıkarmak ve daha sonra nitrojen ile doldurun. 1 bar basınçta _N2 atmosferi altında 120 ° C de fırın içinde 4 gün için filmin tavlanması.
8. Epoksi gömmek filmin küçük bir parça, kesme ve 40 ° C'de gece boyunca onu tedavi
9. Oda sıcaklığında bir elmas bıçak kullanılarak yaklaşık 80 nm'lik bir kalınlığa örnek mikrotom. ThE mikrotome bölümü su üstünde yüzer. Onları almak ve Cu ızgaraların üzerine yerleştirin.
10. Iyot ile bir kavanoza mikrotome bölümleri içeren ızgaraları koydu. 45 dk örnekleri lekeli ve transmisyon elektron mikroskobu için hazırız sonra.
11. 120 kV ve görüntü numunenin bir hızlandırma voltajında ​​çalışma transmisyon elektron mikroskobunda lekeli bölümleri ile Cu ızgaraları yerleştirin.
12. Küçük açılı X-ışını dağılımı için numune tutucuya (adım 1.7 sonra elde edilen), filmin bir parçası yerleştirin ve bir Kapton bantla sabitleyin. SAXS için makinenin içine hazırlanan numune tutucu yerleştirin. X-ışını deklanşörü açın ve 2D saçılma deseni kazanır. Elde edilen 2 boyutlu desen entegre ve 1D model içindeki yükseltilerin konumunu analiz eder.

Gözenekli Yapı 2.. Üretilmesi ve karakterizasyonu

1. Etanol (adım 1.7 sonra elde edilen), filmin bir parçası koyun ve üç gün için muhafaza edin.
2. Örnek kurutun.
3. Ön^1H NMR ölçümler için numune hazırlayın. PDP tozu, PS-b-P4VP tozu, _CDCI3 (adım 2.2 sonra) supramoleküler kompleks PS-b-P4VP (PDP) (adım 1.7 sonra) ve gözenekli bir film içinde çözündürülür. Oda sıcaklığında kayıt ^1H NMR spektrumu.
4. PS-b-P4VP tozu analiz, çok moleküllü kompleks PS-b-P4VP (PDP) (adım 1.7 sonra) ve diferansiyel tarama kalorimetresi ile, gözenekli bir film (adım 2.2 sonra). 1 ° C / dk 'lık bir ısıtma / soğutma hızıyla, 0.5 ° C'lik bir titreşim genliği, 60 sn' lik bir salınım süresi ile modüle edilmiş bir modu kullanın. -30 ° C'de dengeye örnekleri, ısı 180 ° C, -30 ° C'ye soğutun ve sonra da 180 ° yeniden ısıtmak C. Analiz için, ikinci ısıtma döngüsünden verileri kullanın.
5. 70 ° C'de, oda sıcaklığında 8 saat ve 18 saat için (adım 2.2) sonra gözenekli numune gazın atılması ve 77 K nitrojen adsorpsiyonu ölçümler yapmak
6. Uygun yazılımı (örneğin, WinAD kullanınP) ve elde edilen izotermleri analiz modelleri.
7. 2 saat boyunca 0.5 Pa arasında, oda sıcaklığında ve basıncında 8 saat ve gaz çıkışına da 50 ° C 'de (adım 2.2) sonra gözenekli örnek kurutun.
8. Cıva porosimetrisi gerçekleştirin.

Polimer Şablon 3. Ekleme Nikel

1. Kalay klorid _(SnCl2, E _r = 189.60 g / mol) tartılır ve bir sulu solüsyonu (0.1 M _SnCl2 / 0.1 M HCI, 1.896 g _SnCl2, 0.8 ml HCl ve 100 ml ₂ H O) hazırlar. _SnCI2 tam olarak çözünmesini sağlamak için, bir çalkalayıcı üzerinde gece boyunca çözelti koyun.
2. Palladyum klorid _(PdCl2, E _r = 177,33 g / mol) tartılır ve bir sulu solüsyonu (0.0014 M _PdCl2 / 0.25 M HCl, 0.025 g _PdCl2, 2 ml HCl ve 100 ml ₂ H O) hazırlar.
3. Nikel kaplama banyosunda parçası 1 hazırlayın: Çıkış 6.78 g nikel sülfat hegzahidratı tartmak (Niso ₄ • 6H ₂ O, M _r = 2620,85 g / mol) ve 2 g sodyum sitrat (Na _{3 C6} H ₅ O _7, E _r = 258,06 g / mol) ve 80 ml ​​su bunları çözülür. 828 ul% 85 laktik asit _(C3 H ₆ O _3, E _r = 90,08 g / mol) ilave edin.
4. Nikel kaplama banyosunun hazırlanması parçası 2: ağırlık üzerinden 0.2 g dimetilamin boran kompleksi _{((CH3) 2} NHBH _3, E _r = 58,92 g / mol) ve 20 ml su içinde çözülür. Boran dimetilamindir karmaşık iyi havalandırılan bir davlumbaz ele alınmalıdır.
5. 1 saat boyunca kalay klorür (adım 3.1) sulu çözelti içinde, gözenekli filmi (adım 2.2 sonra) bırakın.
6. Iyonu giderilmiş su ile iyice yıkayın filmi.
7. 1 saat boyunca palladyum klorür (adım 3.2) sulu çözelti içinde film bırakın.
8. Iyonu giderilmiş su ile iyice yıkayın filmi.
9. Bölüm 1 (3.3) ve nikel kaplama banyosunun parçası 2 (3.4) karıştırın. Amonyum hidroksit kullanılarak pH 7.0 'a ayarlayın.
10. 1 saat için, nikel kaplama banyosu içinde film bırakın.
11. Iyonu giderilmiş su ile iyice yıkayın filmi.
12. Örnek kurutun.
13. 1.8-1.9 adımda tarif edildiği gibi elektron mikroskobu için kaplama örnek hazırlayın.
14. Resim aşama 1.11 tarif edildiği gibi örnek.
15. Yüksek çözünürlüklü transmisyon elektron mikroskobunda kaplama numunenin bölümlerini içeren Cu ızgaraları yerleştirin. Yüksek çözünürlüklü TEM mikrografikleri edinin. Mikroskop altında örnek gözlemlemek ve EDX (X-ışınlarının Enerji Dağılım Analizi) element analizi için alanı seçin. Seçilen alanın EDX analizi gerçekleştirmek ve elde edilen desen analiz.

Ters Gyroid Nikel Köpük 4. Pozlama

1. 350 ° C'de bir fırında nikel kaplama filmi (adım 3.12 sonra) koyun ve 4 gün için 1 saat kadar onu tutmak.
2. Bir gümüş macun kullanılarak numune tutucu için örnek takın.
3. Taramalı elektron mikrofon içine örnek yerleştirinroscope. Numunenin birkaç görüntü kazanır.
4. Tarama elektron mikroskobu içine örnek yerleştirin. Mikroskop altında örnek gözlemlemek ve EDX elemental analiz için alanı seçin. Seçilen alanın EDX analizi gerçekleştirmek ve elde edilen desen analiz.

. Supramoleküler komplekslerinin morfolojisi PS-b-P4VP (PDP) x TEM ve SAXS Şekil 2a tarafından incelenir ve bir temsilcisi supramoleküler kompleksinin tipik gyroid modellerini görüntülemek 2b: çift dalga ve temsil bilinmektedir vagon teker desenleri (211) üzerinden ve çıkıntılar sırasıyla gyroid birim hücre (111) düzlemi,. P4VP (PDP) x blok etki nedeniyle iyot boyama koyu görünür iken PS blok etki parlak görünür. Şekil 2c dönemsellik itibariyle 2. SAXS tepe faktörüyle azalma olduğu farklı bir gyroid numunenin çift dalga modeli temsil pozisyonlar: √ 6q *, √ 8q *, √ 14Q *, √ 22q *, ve √ 50Q * örnek (Şekil 2d) çift süreklilikte la ³ d morfoloji onaylayın.

Etanole PS-b-P4VP (PDP) x kompleksi tabi tutulması ile PDP tamamen kaldırılması ¹ ile kanıtlanmışH NMR ve DSC. Etanol işleminden sonra, tüm ^1H NMR PDP için karakteristik sinyali mevcut değildir ve iki bloklu kopolimerin spektrum elde edilir. Buna ek olarak, DSC verileri ikili blok kopolimerin etanol ile muamele edilen numune ve termal davranışı aynı olduğunu göstermektedir. Örnek gözenekli gyroid şablonun dokusal özelliklerini, azot adsorpsiyonu ve cıva porosimetrisi ile belirlenmektedir. 104 ^m2 / g BET spesifik yüzey alanı şablon, hemen hemen 60 ila% kapladığı ortalama gözenek çapı 40 nm olan ve gözenek boyutu dağılımı (Şekil 3) çok dar, oldukça yüksektir.

Önceki elektriksiz kaplama için, Pd katalizör, nikel iyon seçici azaltma yönlendirmek için gyroid şablon yüzeyi üzerine tatbik edilir. Sıra ile, nikel metal polimer şablonun gözenekleri doldurur. 4a Şekil boyanmamış nikel kaplama gyroid örnek ve co TEM mikrografını gösterirntrast görüntüdeki nanochannels yatırılır Metal kaynaklanmaktadır. Buna ek olarak, karakteristik vagon tekerlekli model işlem aşamaları esnasında çift gyroid morfolojisinin korunması teyit etmektedir. HR TEM mikrograflan (Şekil 4b ve 4c) nispeten büyük, birbirine Ni kristalitleri ve EDX analizi (Şekil 4d) gösteren kaplamalı numunenin kimyasal bileşimini ortaya koymaktadır. Beklendiği gibi, belirgin karbon ve nikel tepe birlikte havada depolandığında nikel nanofoam oksidasyonunu göstermektedir oksijen zirve ile gözlenir.

Son olarak, kalan polimer sağlam nikel ağ bırakarak, en az yarım saat boyunca 350 ° C'de izotermal olarak ısıtılarak ayrıştırılır. Maruz kalan nikel kopya SEM tarafından doğrulandığı gibi ters gyroid Morfoloji (Şekil 5) korur.

Supramoleküler kompleks PS-b-P4VP (PDP) _x Şekil 1.. Gyroid metalik nanofoam hazırlanmasının şematik bir temsilidir. (A) kimyasal yapısı. (B) çift sürekli PS (mavi) gösteren _x PS-b-P4VP (PDP) morfolojisini gyroid ve P4VP (PDP) _x (turuncu) segmentleri. (C) Nanoporous şablon PDP çıkarılmasından sonra. (D) elektriksiz olarak yatırılması ile, PS dikmelerin arasındaki boşluk nikeli ile doldurulur. Piroliz tarafından polimer şablonu çıkarılmasından sonra (e) Gyroid nikel nanofoam. , bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için buraya tıklayınız. .

Şekil 2,. (A, b) PS-b-P4VP (PDP) _{x P4VP (PDP)} x f = 1.5 ile örnek, = of TEM mikroskop ve 0.69 M _toplam = 135,000 g / çift dalga temsil mol ve vagon tekerleği gyroid desen, sırasıyla. (c, d) TEM mikrograf ve _{P4VP (PDP)} f x = 0.8 ile gyroid PS-b-P4VP (PDP) _x numune SAXS desen, = 0.59 ve M _toplam = 90.600 g mol ^-1. , bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için buraya tıklayınız. .

Şekil 3,. PS-b-P4VP türetilen gözenekli gyroid şablonun gözenek boyutu dağılımı _{P4VP (PDP)} x f = 1.0 ile (PDP) _x kompleks, M = 0.62 ve _total = 83300 g / mol. Grafiğin türevini temsil eder gözenek çapı vs kümülatif gözenek hacmi. , bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için buraya tıklayınız.

Şekil 4,. (A) boyanmamış nikel TEM görüntüsü _{P4VP (PDP)} f, x = 1,0 olan PS-b-P4VP (PDP) _x kompleksinden türetilmiş gyroid polimer şablon kaplama = 0.62 ve M _{toplam = 83.300 g / mol. görüntü vagon tekerleği gyroid desen temsil eder. (B, c) nispeten büyük ve birbirine bağlı Ni kristalitleri gösteren İK TEM görüntüleri. Nikel (d) EDX model birlikte havada depolandığında nikel nanofoam oksidasyonunu göstermektedir oksijen zirve ile, belirgin karbon ve nikel pikleri gösteren bir örnek kaplama. Bakır zirve bir destek olarak kullanılan ızgara kaynaklanmaktadır. Nikel kaplama örneği (b, c, d) P4VP (PDP) f x = 0.8 ile PS-b-P4VP (PDP) x kompleksi, türetilmiştir = 0.59 ve M toplam = 90.600 g mol ^-1. tıklayınız Bu rakamın büyük bir versiyonunu görmek için.}

_{P4VP (PDP)} f x = 1.5 ile PS-b-P4VP (PDP) _x kompleksi = türetilen ters gyroid nikel kopya Şekil 5. SEM mikro 0.69 ve M _toplam = 135,000 g / mol. tıklayınız görüntülemek için Bu rakamın büyük bir versiyonu.

Rakamlar izni ³⁶ ile yeniden basıldı. Copyright 2011 American Chemical Society.

Supramolecular kompleksleri başarıyla iyi sıralı metal nanofoams öncüleri olarak uygulanır. Bu yöntemde, önemli bir adım gyroid morfolojisi olan bir şablon, yani, uygun şablon elde etmektir. Blok kopolimerlerin faz diyagramında gyroid bölge çok küçüktür ve bu hedef için oldukça zordur. Bu, geleneksel blok kopolimerleri, başlangıç ​​maddeleri olarak kullanıldığında, oldukça ayrıntılı sentez gyroid morfolojiye yol açar, istenen bileşim, ulaşılana kadar tekrar edilmesi anlamına gelir. PS-b-P4VP in (PDP) farklı kompozisyonlar kompleksleri, ve böylece farklı morfolojisi, çok basit elde edilebilir - ekledi PDP miktarını değiştirerek. PS-b-P4VP (PDP) komplekslerinin faz diyagramı bir gyroid bölge hem de oldukça küçük olmasına rağmen, etki çeşitli boyutlarda gyroid kompleksleri elde etmek mümkündür. Bu Gy ile, geleneksel bir iki kütleli kopolimer de gerçekleştirmek için de çok önemlidirroid morfolojisi, azınlık ağ bileşeni. 35. hacimce% ca kaplar ve büyük bir çoğunluğu matris bileşeni ca. 65 vol%. Bu durumda, matris çıkarılması olacaktır oldukça gözenekli bir şablon ve buna uygun olarak daha az gözenekli metal nano sonuçlanır. Burada, matrisin sadece bir kısmını çıkarmak ve buna bağlı olarak son metal köpüğün gözenekli bir metal nanofoam ⁵ formasyonu için genel gereksinimi karşılamak için yeterince yüksek olan daha yüksek hacimce% 50 olacaktır. Polietilen oksit (PEO) ya da polilaktik asit (PLA) blok PS-b-PEO veya PS-b-PLA ³⁷ kaldırılır Ayrıca, eğer geleneksel bir blok kopolimer yaklaşımda, gözenekli şablonun edilen PS, hidrofobik yüzey gerektirir değişiklik öncesinde ³⁸ kaplama Akımsız için. Burada, şablonunun yüzeyindeki polar P4VP korona varlığı elektriksiz kaplama işleminde kullanılan su bazlı reaktifler nüfuz etmesini kolaylaştıran ve bu MODIFIKASY ortadan kaldırıradım.

Metal nanofoams, malzemelerin yeni ve gelişen bir sınıf olarak, belirli ihtiyaçlarını karşılamak için yakın gelecekte değişmiş ve gelişmiş olması beklenmektedir. Kimyasal bileşimi değiştirilebilir, ve örneğin, Au, Ag, Cu, Co, vb olabilir. nanofoams hazırlanabilir. Buna ek olarak, blok kopolimerin şablon hiyerarşik gözenekli metal nanofoams gelen Bozunumu ile kombine edilebilir. Metal alaşımları (örneğin, Au, Ag) elektriksiz kaplama yöntemi ile bir blok kopolimer şablonun kanallara biriktirilebilmektedir. Polimer ayrıştıktan sonra, daha az değerli metal (örneğin Ag) hiyerarşik gözenekli Au nanofoam sonuçlanan Bozunumu ile kaldırılabilir. Ayrıca, metal nanofoam yapısı başlangıç ​​blok kopolimerinin morfolojisi değiştirilmesi ile ayarlanabilir. Gyroid aşamasında yanında, böyle bir tesisatçı kabus ³⁹ veya ortorombik Fddd ağ olarak kopolimer morfolojiler engellemek40-42 metal nanofoam hazırlanması için ilgi çekici adaylardır. Metal nanofoams alanında hala tam olarak incelenir ve gelecekte heyecan verici keşifler getirmesi bekleniyor.

Yazarlar herhangi bir mali çıkarlarını beyan.

Biz Advanced Materials için Zernike Enstitüsü, Groningen Üniversitesi tarafından mali destek kabul.