Sintesi ed esfoliazione della discotici zirconio Fosfati di ottenere cristalli liquidi colloidale
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
colloidi discotici sono naturalmente abbondanti in forma di argilla, asfalteni, globuli rossi, e madreperla. Una gamma di applicazioni in molti sistemi ingegnerizzati, tra cui nanocompositi polimerici 1, i materiali biomimetici, membrane funzionali 2, studi a cristalli liquidi discotici 3 e stabilizzanti di emulsione Pickering 4 sono sviluppati sulla base nanodisks colloidali discotici. Nanodisks con uniformità e bassa polidispersità è importante per studiare le fasi e le trasformazioni dei cristalli liquidi. Zirconio fosfato (ZRP) è un nanodisks sintetici con struttura a strati ben ordinata e rapporto di aspetto controllabile (spessore su diametro). Pertanto, l'esplorazione di diverse sintesi di ZRP aiuta a stabilire comprensione fondamentale del sistema a cristalli liquidi discotici.
La struttura di ZRP stata chiarita dalla Clearfield e Stynes nel 1964 5. Per la sintesi di cristalli stratificati di ZRP, idrotermica emetodi di reflusso sono comunemente adottate 6,7. Metodo idrotermale dà un buon controllo sulla dimensione che vanno da 400 a 1500 nm e polidispersità entro il 25% 6, mentre il metodo reflusso fornisce cristalli più piccoli per la stessa durata. Riscaldamento a microonde è stato dimostrato di essere un metodo promettente per la sintesi di nanomateriali 8. Tuttavia, non ci sono documenti che descrivono la sintesi di ZRP basato su route assistita da microonde. Il controllo effettivo sulle dimensioni, le proporzioni, e il meccanismo della crescita dei cristalli con il metodo idrotermale è stato sistematicamente studiata dal nostro gruppo 6.
ZRP può essere facilmente espansa in monostrati in sospensioni acquose, e il ZRP espansa sono stati ben stabiliti come materiali a cristalli liquidi nel gruppo di Cheng 3,9-13. Finora, nanodisks ZRP espansa con vari diametri, dicono proporzioni diverse, sono stati studiati a concludere che grande ZRP aveva la I (isotropo) -N (nematica) transizione in basso concentrazione rispetto al più piccolo ZRP 3. Le polidispersità 3, sale 9 e temperature 10,11 effetti sulla formazione della fase cristallo liquido nematico sono stati considerati. Inoltre, altre fasi, come fase cristallina liquida sematic, sono stati studiati e 13,14.
In questo articolo, dimostriamo realizzazione sperimentale di un tale colloidale ZRP nanodisks sospensione. cristalli ZRP Layered sono sintetizzati mediante metodi diversi, e quindi sono esfoliate in mezzi acquosi per ottenere nanodisks monostrato. Alla fine, mostriamo liquidi transizioni di fase a cristalli esposti da questo sistema. Un aspetto importante di questi dischi è la loro natura altamente anisotropa che il rapporto spessore diametro è nell'intervallo da 0,0007 a 0.05 in base alle dimensioni dei dischi 3. I nanodisks monostrato altamente anisotropi stabilire un sistema modello per studiare le transizioni di fase nelle sospensioni di nanodisks.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il metodo reflusso è una buona opzione per effettuare una dimensione più piccola di α-ZRP diametro e spessore uniformi. Simile al metodo idrotermale, il metodo reflusso è limitata dal tempo di preparazione. In generale, ci vuole più tempo per i cristalli di crescere.
Il tempo di reazione più lungo richiesto per il metodo di reflusso può provocare nanodisks con una dimensione maggiore. La dimensione media delle nanodisks espansa viene misurata mediante dynamic light scattering (DLS). I…
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
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