Syntese og Peeling av Discotic Zirkonium Fosfater henter Kolloidalt Liquid Crystals
Summary
A two dimensional model material of discotic zirconium phosphate was developed. The inorganic crystal with lamellar structure was synthesized by hydrothermal, reflux, and microwave-assisted methods. On exfoliation with organic molecules, layered crystals can be converted to monolayers, and nematic liquid crystal phase was formed at sufficient concentration of monolayers.
Abstract
Due to their abundance in natural clay and potential applications in advanced materials, discotic nanoparticles are of interest to scientists and engineers. Growth of such anisotropic nanocrystals through a simple chemical method is a challenging task. In this study, we fabricate discotic nanodisks of zirconium phosphate [Zr(HPO4)2·H2O] as a model material using hydrothermal, reflux and microwave-assisted methods. Growth of crystals is controlled by duration time, temperature, and concentration of reacting species. The novelty of the adopted methods is that discotic crystals of size ranging from hundred nanometers to few micrometers can be obtained while keeping the polydispersity well within control. The layered discotic crystals are converted to monolayers by exfoliation with tetra-(n)-butyl ammonium hydroxide [(C4H9)4NOH, TBAOH]. Exfoliated disks show isotropic and nematic liquid crystal phases. Size and polydispersity of disk suspensions is highly important in deciding their phase behavior.
Introduction
Discotic kolloider er naturlig rikt i form av leire, asfalten, røde blodlegemer, og Nacre. En rekke applikasjoner i mange konstruerte systemer, inkludert polymer nanokompositter 1, biomimetic materialer, funksjonelle membraner 2, discotic flytende krystall studier 3 og Pickering emulsjonsstabilisatorer 4 er utviklet basert på discotic kolloidale nanodisks. Nanodisks med jevnhet og lav polydispersitet er viktig for å studere faser og transformasjoner av flytende krystaller. Zirkonium fosfat (ZRP) er en syntetisk nanodisks med velordnet lagdelt struktur og kontrollerbar størrelsesforhold (tykkelse over diameter). Derfor utforskning av forskjellig syntese av ZRP bidrar til å etablere grunnleggende forståelse av discotic flytende krystallsystem.
Strukturen av ZRP ble undersøkt ved Clearfield og Stynes i 1964 5. For syntese av lagdelte krystaller av ZRP, og hydrotermalreflux metoder blir ofte adoptert 6,7. Hydrotermisk metode gir en god kontroll av størrelse i området fra 400 til 1500 nm og polydispersitet innenfor 25% 6, mens tilbakeløps metoden gir små krystaller for samme varighet. Mikrobølgeovn oppvarming har vist seg å være en lovende metode for syntese av nanomaterialer 8. Det er imidlertid ingen artikler som beskriver syntese av ZRP basert på mikrobølgeassistert rute. Den effektive kontroll over størrelse, sideforhold, og mekanismen av krystallvekst ved hydrotermale metoden ble systematisk undersøkt av vår gruppe 6.
ZRP kan lett ekspandert inn i monolag i vandige suspensjoner, og skrubbet ZRP har blitt godt etablert som flytende krystallmaterialer i Cheng gruppe 3,9-13. Så langt ekspandert ZRP nanodisks med forskjellige diametre, sier forskjellige sideforhold, har blitt studert for å konkludere med at større ZRP hadde jeg (isotropisk) N (Nematic) overgang til lavere consentrasammenlignet med mindre ZRP tre. Polydispersiteten 3, salt 9 og temperaturen 10,11 effekt på dannelsen av nematisk flytende krystallfase er også vurdert. Videre har andre faser, så som sematic flytende krystallfase, har vært undersøkt i tillegg 13,14.
I denne artikkelen, viser vi eksperimentell realisering av en slik kolloidal ZRP nanodisks suspensjon. Lagdelte ZRP krystaller ble syntetisert via forskjellige metoder, og deretter blir ekspandert i vandige media for å oppnå monolags nanodisks. På slutten viser vi væskekrystallfaseoverganger som oppvises av dette systemet. Et bemerkelsesverdig trekk ved disse diskene er deres sterkt anisotrop natur at tykkelsen til diameterforholdet er i området fra 0,0007 til 0,05, avhengig av størrelsen av disker 3. Den svært anisotrope monolags nanodisks etablere et modellsystem for å studere faseoverganger i suspensjoner av nanodisks.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tilbakeløps metoden er et godt alternativ for å lage en mindre størrelse på α-ZRP med en ensartet diameter og tykkelse. I likhet med den hydrotermiske fremgangsmåten blir tilbakeløpsfremgangsmåten begrenset av forberedelsestid. Generelt tar det lengre tid for å få krystallene til å vokse.
Jo lengre reaksjonstid er nødvendig for tilbakeløpsfremgangsmåten kan resultere i nanodisks med en større størrelse. Den gjennomsnittlige størrelsen på ekspandert nanodisks blir målt ved …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work is partially supported by NSF (DMR-1006870) and NASA (NASA-NNX13AQ60G). X. Z. Wang acknowledges support from the Mary Kay O’Connor Process Safety Center (MKOPSC) at Texas A&M University. We also thank Min Shuai for her guidance.
Materials
| Material | |||
| Zirconyl Chloride Octahydrate | Fischer Scientific (Acros Organics) | AC20837-5000 | 98% + |
| o-Phosphoric Acid | Fischer Scientific | A242-1 | >= 85 % |
| Tetra Butyl Ammonium Hydroxide | Acros Organics (Acros Organics) | AC176610025 | 40% wt. (1.5M) |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment | |||
| Reaction Oven | Fischer Scientific | CL2 centrifuge | Isotemperature Oven (Temperature Upto 350 C) |
| Centrifuge | Thermo Scientific | Not Available | Rotation Speed : 100 – 4000 rpm |
| Microwave Reactor | CEM Corporation | Discover and Explorer SP | Temp. Upto 300oC, Power upto 300W, Pressure upto 30bar |
References
- Usuki, A., Hasegawa, N., Kato, M. Polymer-clay nanocomposites. Adv Polym. 179, 135-195 (2005).
- Varoon, K., et al. Dispersible Exfoliated Zeolite Nanosheets and Their Application as a Selective Membrane. Science. 334, 72-75 (2011).
- Mejia, A. F., et al. Aspect ratio and polydispersity dependence of isotropic-nematic transition in discotic suspensions. Phys. Rev. E. 85, 061708 (2012).
- Bon, S. A. F., Colver, P. J. Pickering miniemulsion polymerization using Laponite clay as a stabilizer. Langmuir. 23, 8316-8322 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Chang, Y. -. W., Mejia, A. F., Cheng, Z., Di, X., McKenna, G. B. Gelation via Ion Exchange in Discotic Suspensions. Phys. Rev. Lett. 108, 247802 (2012).
- Wang, X., et al. Thermo-sensitive discotic colloidal liquid crystals. Soft Matter. 10, 7692-7695 (2014).
- Li, H., Wang, X., Chen, Y., Cheng, Z. Temperature-dependent isotropic-to-nematic of charged nanoplates. Phys. Rev. E. 90, 020504 (2014).
- Chen, M., et al. Observation of isotropic-isotropic demixing in colloidal platelet-sphere mixtures. Soft Matter. 11 (28), 5775-5779 (2015).
- 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, 041704 (2009).
- Wong, M., et al. Large-scale self-assembled zirconium phosphate smectic layers via a simple spray-coating process. Nat. Commun. 5, 3589 (2014).
- Diaz, A., et al. Zirconium phosphate nano-platelets: a novel platform for drug delivery in cancer therapy. Chem. Commun. 48, 1754-1756 (2012).
- 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).
