Синтез и Отслоение дискотического циркониевых Фосфаты для получения кристаллов коллоидное Liquid
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
Дискотического коллоидов естественно обильные в виде глины, асфальтенов, красных кровяных телец, и перламутра. Диапазон применения во многих инженерных систем, в том числе полимерных нанокомпозитов 1, биомиметические материалов, функциональные мембраны 2, дискотической исследования жидких кристаллов 3 и стабилизаторов эмульсии Пикеринга 4 разработаны на основе дискотической коллоидных nanodisks. Nanodisks с равномерностью и низкой полидисперсности имеет важное значение для изучения фаз и превращения жидких кристаллов. Цирконий фосфат (ZrP) представляет собой синтетический nanodisks с хорошо упорядоченной слоистой структурой и регулируемым соотношением сторон (толщиной более диаметра). Таким образом, исследование различных синтеза ZrP помогает установить фундаментальное понимание дискотического системы жидких кристаллов.
Структура ZrP была выяснена Клеарфилде и Stynes в 1964 году 5. Для синтеза слоистых кристаллов ПРЗ, гидротермальных ирефлюкс методы, как правило , принимается 6,7. Гидротермальный метод дает хороший контроль над размером в диапазоне от 400 до 1500 нм и полидисперсностью в пределах 25% 6, в то время как метод рефлюкс дает меньшие кристаллы за то же время продолжительность. Микроволновая печь нагрева было доказано, что перспективным методом синтеза наноматериалов 8. Тем не менее, нет никаких документов, описывающих синтез ZrP основанный на микроволновым маршруте. Эффективный контроль над размером, соотношение сторон, и механизм роста кристаллов методом гидротермального систематически изучали нашей группой 6.
ZrP может быть легко отслоилась в монослоев в водных суспензий, и вспученного ZrP были также созданы в качестве жидких кристаллических материалов в группе Чэн 3,9-13. До сих пор, расслоенные ZrP nanodisks с различными диаметрами, скажем, разные соотношения сторон, были изучены к выводу, что больше ZrP имел I (изотропным) -N (нематик) перехода на более низком концентровка по сравнению с меньшим ZrP 3. Были также рассмотрены эффекты полидисперсности 3, соль 9 и температура 10,11 на формирование нематической жидкокристаллической фазы. Более того, другие фазы, такие как Sematic жидкокристаллической фазы, которые были исследованы, а 13,14.
В этой статье мы покажем экспериментальную реализацию такой коллоидной ZrP nanodisks суспензии. Слоистые кристаллы ZrP синтезируются с помощью различных методов, а затем отслаивается в водных средах для получения однослойных nanodisks. В конце концов, мы показываем жидкокристаллические фазовые переходы, демонстрируемые этой системы. Примечательным аспектом этих дисков является их сильно анизотропными характер , что отношение толщины к диаметру находится в диапазоне от 0,0007 до 0,05 , в зависимости от размера дисков 3. Сильно анизотропные однослойные nanodisks создать модельную систему для изучения фазовых переходов в суспензии nanodisks.
Protocol
Representative Results
Discussion
Метод рефлюкс является хорошим вариантом для создания меньшего размера альфа-ZrP с одинаковым диаметром и толщиной. Подобно гидротермальным методом, метод рефлюкс ограничена временем подготовки. В общем, это занимает больше времени для кристаллов расти.
Чем дольше врем?…
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).
