التوليف وتقشير من Discotic الزركونيوم الفوسفات للحصول على بلورات الغروية السائل
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
الغرويات Discotic وفيرة في الطبيعة على هيئة الطين، asphaltene، وخلايا الدم الحمراء، والصدف. وهناك مجموعة من التطبيقات في العديد من النظم الهندسية، بما في ذلك بوليمر نانوي 1، المواد الجزيئية الحيوية، والأغشية الوظيفية 2، discotic الدراسات الكريستال السائل 3 و بيكرينغ مثبتات مستحلب 4 وضعت على أساس nanodisks الغروية discotic. Nanodisks مع التوحيد وانخفاض التشتت المتعدد هو مهم لدراسة المراحل والتحولات من البلورات السائلة. الزركونيوم الفوسفات (ZrP) هو nanodisks الاصطناعية مع بنية الطبقات امر جيد ونسبة الارتفاع السيطرة عليها (سمك أكثر من قطر). لذلك، واستكشاف التوليف مختلفة من ZrP يساعد على تأسيس فهم أساسي من نظام الكريستال السائل discotic.
تم توضيح هيكل ZrP التي كتبها كلرفيلد وStynes في عام 1964 5. وبالنسبة للتركيب بلورات الطبقات من ZrP، المائية ووتعتمد أساليب ارتداد عادة 6،7. طريقة المائية يعطي سيطرة جيدة على حجم تتراوح ما بين 400 إلى 1500 نانومتر، والتشتت المتعدد في 25٪ 6، بينما يعطي طريقة ارتداد بلورات صغيرة للمرة مدة نفسه. وقد ثبت تسخين الميكروويف لتكون وسيلة واعدة لتخليق المواد النانوية 8. ومع ذلك، لا توجد وثائق تصف تركيب ZrP تستند على الطريق بمساعدة الميكروويف. وقد درس الرقابة الفعالة على حجم، نسبة الارتفاع، وآلية نمو البلورات عن طريق أسلوب الحرارية المائية بشكل منتظم من قبل مجموعتنا 6.
ZrP يمكن تقشر بسهولة في الطبقات الوحيدة في تعليق المائية، وZrP تقشر أنشئت كذلك المواد الكريستال السائل في مجموعة تشينغ 3،9-13. وحتى الآن، تقشر nanodisks ZrP مع مختلف أقطار، ويقول نسب مختلفة، وقد تم دراسة أن نخلص إلى أن أكبر ZrP كان (الخواص) -N (خيطي) انتقال أنا في انخفاض يخدعحدانية التركيز مقارنة مع أصغر ZrP 3. وقد نظرت أيضا في التشتت المتعدد 3 والملح 9 ودرجة الحرارة 10،11 آثار على تشكيل المرحلة الكريستال السائل خيطي. وعلاوة على ذلك، المراحل الأخرى، مثل مرحلة الكريستال السائل الدلالات اللفظية، وقد تم التحقيق فضلا 13،14.
في هذه المقالة، علينا أن نظهر تحقيقا تجريبيا من هذا الغروية ZrP nanodisks تعليق. وقد تم تجميع بلورات ZrP الطبقات عن طريق وسائل مختلفة، ويتم بعد ذلك تقشر في الأوساط المائية للحصول على nanodisks أحادي الطبقة. في النهاية، وتبين لنا السائلة مرحلة التحولات الكريستال التي أظهرتها هذا النظام. ومن الجوانب البارزة من هذه الأقراص هي طبيعتها متباين الخواص جدا أن سماكة إلى نسبة القطر في حدود 0،0007-0،05 اعتمادا على حجم الأقراص 3. وnanodisks أحادي الطبقة متباين للغاية إنشاء نظام نموذجي لدراسة مرحلة التحولات في تعليق من nanodisks.
Protocol
Representative Results
Discussion
طريقة الجزر هو خيار جيد لجعل حجم أصغر من α-ZrP التي يبلغ قطرها موحد وسمك. على غرار الأسلوب المائية، ويقتصر على طريقة الجزر من الوقت اللازم لإعداد. بشكل عام، يستغرق وقتا أطول للبلورات أن تنمو.
في وقت رد الفعل الأطول المطلوب لطريقة ال?…
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).
