Síntesis y exfoliación de Discotic circonio fosfatos para obtener cristales líquidos coloidal
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
coloides Discotic son naturalmente abundante en forma de arcilla, asfaltenos, las células rojas de la sangre, y nácar. Una gama de aplicaciones en muchos sistemas de ingeniería, incluyendo materiales nanocompuestos poliméricos, materiales biomiméticos 1, 2 membranas funcionales, estudios de cristal líquido discotic 3 y estabilizadores de emulsión de Pickering 4 se desarrolla en base a nanodiscos coloidales discotic. Nanodiscos con uniformidad y baja polidispersidad es importante para el estudio de las fases y transformaciones de los cristales líquidos. fosfato de zirconio (ZRP) es un nanodiscos sintéticos con estructura en capas bien ordenada y relación de aspecto controlable (espesor de más de diámetro). Por lo tanto, la exploración de las diferentes síntesis de ZRP ayuda a establecer un entendimiento fundamental de sistema de cristal líquido discotic.
La estructura de ZRP fue aclarada por Clearfield y Stynes en 1964 5. Para la síntesis de cristales laminares de ZRP, hidrotérmica ymétodos de reflujo se adoptan comúnmente 6,7. Método hidrotérmico da un buen control sobre el tamaño que varía de 400 a 1500 nm y la polidispersidad dentro de 25% 6, mientras que el método de reflujo da cristales más pequeños para el mismo tiempo de duración. El calentamiento por microondas se ha demostrado ser un método prometedor para la síntesis de nanomateriales 8. Sin embargo, no existen documentos que describen la síntesis de ZRP basado en ruta asistida por microondas. El control efectivo sobre el tamaño, relación de aspecto, y el mecanismo del crecimiento de cristales por el método hidrotérmico se estudió sistemáticamente por nuestro grupo 6.
ZRP puede ser exfoliada fácilmente en monocapas en suspensiones acuosas, y la ZRP exfoliada han sido bien establecido como materiales de cristal líquido en el grupo 3,9-13 de Cheng. Hasta el momento, nanodiscos ZRP exfoliadas con diferentes diámetros, según diferentes relaciones de aspecto, se han estudiado a la conclusión de que la mayor ZRP tenía el (isotrópico) -N (nemático) de transición que en Con menorcentrado en comparación con menor ZRP 3. También se han considerado las polidispersidad 3, 9 y sal de temperatura 10,11 efectos sobre la formación de la fase de cristal líquido nemático. Por otra parte, otras fases, como fase de cristal líquido Sematic, se han investigado, así 13,14.
En este artículo, demostramos realización experimental de un nanodiscos suspensión ZRP tales coloidal. cristales ZRP capas se sintetizan a través de diferentes métodos, y luego son exfoliadas en medios acuosos para obtener nanodiscos monocapa. Al final, nos muestran las transiciones de fase de cristal líquido exhibidos por este sistema. Un aspecto notable de estos discos es su naturaleza altamente anisotrópico que la relación de espesor a diámetro está en el intervalo de 0,0007 hasta 0,05, dependiendo del tamaño de los discos 3. Los nanodiscos monocapa altamente anisotrópicos establecen un sistema modelo para estudiar las transiciones de fase en las suspensiones de nanodiscos.
Protocol
Representative Results
Discussion
El método de reflujo es una buena opción para la fabricación de un tamaño más pequeño de α-ZRP con un diámetro uniforme y espesor. Similar al método hidrotérmico, el método de reflujo está limitada por el tiempo de preparación. En general, se necesita más tiempo para que los cristales crezcan.
El tiempo de reacción más largo necesario para el método de reflujo puede resultar en nanodiscos con un tamaño más grande. El tamaño medio de nanodiscos exfoliadas se mide mediante …
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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