ميكروفلويديك التوليف القائم على الأطر العضوية التساهمية (كوفس): أداة للإنتاج المستمر للألياف كوف والطباعة المباشرة على سطح
Summary
نقدم طريقة مستندة ميكروفلويديك الرواية لتوليف الأطر العضوية التساهمية (كوفس). نوضح كيف يمكن استخدام هذا النهج لإنتاج ألياف كوف المستمر، وأيضا هياكل 2D أو 3D كوف على الأسطح.
Abstract
الأطر العضوية التساهمية (كوفس) هي فئة من المواد التساهمية التي يسهل اختراقها والتي غالبا ما يتم تصنيعها كمساحيق بلورية غير قابلة للتجهيز. وقد تم الإبلاغ عن أول صندوق كوف في عام 2005 مع تركيز الكثير من الجهود على إنشاء طرق اصطناعية جديدة لإعداده. حتى الآن، تستند معظم الأساليب الاصطناعية المتاحة لتوليف كوف على الخلط السائبة في ظل ظروف سولفوثرمال. ولذلك، هناك اهتمام متزايد بوضع بروتوكولات منهجية لتوليف كوف التي تنص على التحكم الدقيق في ظروف التفاعل وتحسين قابلية التشغيل كوف على الأسطح، وهو أمر ضروري لاستخدامها في التطبيقات العملية. هنا، نقدم طريقة جديدة ميكروفلويديك القائم على توليف كوف حيث رد فعل بين اثنين من اللبنات المكونة، 1،3،5-بنزينتريكاربالديهيد (بتسا) و 1،3،5 تريس (4 أمينوفينيل) البنزين (تاب)، يحدث تحت ظروف الانتشار التي تسيطر عليها وفي درجة حرارة الغرفة. استخدام مثل هذا النهج يعطي الاسفنج مثل، البكاءألياف تالينية من المواد كوف، ويسمى فيما بعد مف-كوف. تسمح الخواص الميكانيكية ل مف-كوف والطبيعة الديناميكية للنهج بالإنتاج المستمر للألياف مف-كوف والطباعة المباشرة على الأسطح. تفتح الطريقة العامة تطبيقات جديدة محتملة تتطلب طباعة متقدمة لهياكل كوف ثنائية الأبعاد أو ثلاثية الأبعاد على أسطح مرنة أو صلبة.
Introduction
الأطر العضوية التساهمية (كوفس) هي فئة راسخة من المواد المسامية والبلورية التي يتم فيها تثبيت لبنات البناء العضوية معا معا بواسطة السندات التساهمية 1 ، 2 ، 3 ، 4 ، 5 . يتم تجميع كوفس عادة بعد مبادئ الكيمياء سوبرامولكولار، حيث يتم رد فعل اللبنات الجزيئية المكونة بشكل انتقائي لتحديد التجمع النهائي مسامية ومحددة سلفا. مثل هذا النهج يسمح بتوليف المواد مع هيكل التحكم والمرتبة (على سبيل المثال ، مع أبعاد المسام محددة) والتكوين 3 ، 6 ، 7 ، 8 . بالمقارنة مع غيرها من المواد التي يسهل اختراقها، كوفس هي فريدة من نوعها لأنها تتألف من العناصر الخفيفة (C، H، B، N و O) ولها بورو الانضباطي سيتس 1 ، 5 . مستوحاة من هذه الخصائص الفريدة والجوهرية، وقد تم تقييم كوفس للتطبيق المحتمل في الفصل الكيميائي 9 ، تخزين الغاز 10 والحفز 11 ، وأجهزة الاستشعار 12 ، الإلكترونيات الضوئية 13 ، تكنولوجيات الطاقة النظيفة 14 وأجهزة الطاقة الكهروكيميائية 15 .
حتى الآن، فإن الغالبية العظمى من الأساليب المستخدمة لإعداد مواد كوف تقوم على التكثيف الذاتي للحرارة والتفاعلات التكثيف المشترك، حيث درجات الحرارة العالية والضغوط هي المعيار. على الرغم من أن كوفس قوية حراريا، فإنها تعاني عادة من محدودية عملية، أي كوفس وعادة ما تكون غير قابلة للذوبان وغير قابلة للتجهيز مساحيق بلورية، وهذا يحد بشكل كبير من استخدامها في مجموعة من التطبيقات المحتملة والعمليةسس = "كريف"> 2 ، 6 ، 8 ، 16 ، 17 . وعلى الرغم من التقدم الملحوظ الذي تحقق في توليف كوف، فإن أحد التحديات الرئيسية في هذا المجال هو تطوير طريقة تمكن من إعداد كوف في ظروف التفاعل المناسبة ( مثل درجة الحرارة والضغط)، والتي يمكن بعد ذلك تسهيل قابليتها للتجهيز على الأسطح.
في الآونة الأخيرة، أظهرت الدراسات أن الكيمياء شيف قاعدة يمكن استخدامها لتجميع كوف القائم على إيمين في درجة حرارة الغرفة. تم إنتاج كوف، واسمه رت-كوف-1، أشكال بسبب رد فعل سريع وفعال بين 1،3،5 تريس (4-أمينوفينيل) البنزين (تاب) و 1،3،5-بينزينتريكاربالهيد (بتسا) 17 ( الشكل 1A ). وقد أثبتت فعالية هذه الطريقة الاصطناعية من خلال الطباعة المباشرة للميكرون وأنماط سوبيكرون من رت-كوف-1 على كل من الأسطح الصلبة والمرنة باستخدام الطباعة الحجرية أوتقنيات الطباعة النافثة للحبر. في الآونة الأخيرة، والاستفادة من ميكروفلويديكش، أثبتنا نهجا فعالا للتوليف المستمر للألياف من نفس إيمين القائم على كوف الآخرة يسمى مف-كوف 6 . خلافا لغيرها من النهج الاصطناعية ذكرت لتوليد كوفس 18 ، مكنت هذه الطريقة الاصطناعية ميكروفلويديك التوليف السريع للألياف مف-كوف في درجات الحرارة المحيطة والضغوط في غضون ثوان قليلة. وعلاوة على ذلك، ونظرا للاستقرار الميكانيكي للألياف مف-كوف توليفها، أثبتنا كيف يمكن لهذه الطريقة القائم على ميكروفلويديك تمكين الطباعة المباشرة للهياكل 2D و 3D على الأسطح. هنا، ونحن نبرهن على أن هذه الطريقة يمكن استخدامها لرسم هياكل كوف على الأسطح المختلفة التي لها خصائص كيميائية ومادية مختلفة. ونعتقد أن هذه الطريقة الجديدة تفتح آفاقا جديدة للنمط الجيد التحكم والطباعة المباشرة ل كوف في اتجاهات مختلفة وعلى أسطح مختلفة.
Protocol
Representative Results
Discussion
الأسلوب الاصطناعي القائم على ميكروفلويديك ذكرت هنا يوفر نهجا جديدا وبسيطة للطباعة المباشرة للمواد كوف على الأسطح. يتم تنفيذ التجميع باستخدام جهاز ميكروفلويديك طبقة واحدة، تتألف من رقاقة مدمفلويديك بدمس المستعبدين إلى ساترة الزجاج. تلفيق الجهاز ميكروفلويديك لا يم?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يقر المؤلفون المؤسسة الوطنية السويسرية للعلوم (سنف) للحصول على الدعم المالي من خلال مشروع رقم. 200021_160174.
Materials
| High resolution film masks | Microlitho, UK | – | Features down to 5um |
| Silicon wafers | Silicon Materials Inc., Germany | 4" Silicon Wafers | Front surface: polished, back surface: etched |
| Silicone Elastomer KIT (PDMS) | Dow Corning, USA | Sylgard 184 | – |
| Chlorotrimethylsilane | Sigma-Aldrich, Switzerland | 386529 | ≥97%, CAUTION: Handle it only under fume hood. |
| Biopsy puncher | Miltex GmBH, Germany | 33-31A-P/25 | 1.5 mm |
| Glass coverslip | Menzel-Glaser, Germany | BB024040SC | 24 mm × 40 mm, #5 |
| Plasma generator instrument | Diener | Zepto B | Frequency: 40 kHz and plasma generator power: 0-30 W |
| PTFE tubing | PKM SA, Switzerland | AWG-TFS-XXX | AWG 20TFS, roll of 100 m |
| neMESYS Syringe Pumps | Cetoni GmbH, Germany | Low Pressure (290N) | – |
| Disposable Cup | Semadeni, Switzerland | 8323 | PS, 200 ml |
| Plastic Spatula | Semadeni, Switzerland | 3340 | L × W : 135 mm x 14 mm |
| Disposable Scalpels | B. Braun, Switzerland | 233-5320 | Nr. 20 |
| Disposable Syringes | VWR, Switzerland | 613-3951 | 5 ml, Discardit II |
| Acetic Acid | Sigma-Aldrich, Switzerland | 695092-500 | >=99.7%, CAUTION: Handle it only under fume hood. |
| 1,3,5-benzenetricarbaldehyde | Aldrich-Fine Chemicals | 753491 | 97% |
| 1,3,5-Tris(4-aminophenyl)benzene | Tokyo Chemical Industry | T2728-5G | >93.0% |
References
- Cote, A. P., et al. Porous, crystalline, covalent organic frameworks. Science. 310, 1166-1170 (2005).
- Ding, S. Y., Wang, W. Covalent organic frameworks (COFs): from design to applications. Chem Soc Rev. 42, 548-568 (2013).
- Huang, N., Wang, P., Jiang, D. L. Covalent organic frameworks: a materials platform for structural and functional designs. Nat Rev Mater. 1, 16068 (2016).
- Xu, H., Gao, J., Stable Jiang, D. L. crystalline, porous, covalent organic frameworks as a platform for chiral organocatalysts. Nat Chem. 7, 905-912 (2015).
- Wan, S., Guo, J., Kim, J., Ihee, H., Jiang, D. L. A Belt-Shaped, Blue Luminescent, and Semiconducting Covalent Organic Framework. Angew Chem Int Edit. 47, 8826-8830 (2008).
- Rodriguez-San-Miguel, D., et al. Crystalline fibres of a covalent organic framework through bottom-up microfluidic synthesis. Chem Commun. 52, 9212-9215 (2016).
- Bisbey, R. P., DeBlase, C. R., Smith, B. J., Dichtel, W. R. Two-dimensional Covalent Organic Framework Thin Films Grown in Flow. J Am Chem Soc. 138, 11433-11436 (2016).
- Spitler, E. L., Dichtel, W. R. Lewis acid-catalysed formation of two-dimensional phthalocyanine covalent organic frameworks. Nat Chem. 2, 672-677 (2010).
- Keskin, S. Adsorption, Diffusion, and Separation of CH4/H-2 Mixtures in Covalent Organic Frameworks: Molecular Simulations and Theoretical Predictions. J Phys Chem C. 116, 1772-1779 (2012).
- Tilford, R. W., Mugavero, S. J., Pellechia, P. J., Lavigne, J. J. Tailoring microporosity in covalent organic frameworks. Adv Mater. 20, 2741-2746 (2008).
- Hasegawa, S., et al. Three-dimensional porous coordination polymer functionalized with amide groups based on tridentate ligand: Selective sorption and catalysis. J Am Chem Soc. 129, 2607-2614 (2007).
- Das, G., et al. Chemical sensing in two dimensional porous covalent organic nanosheets. Chem Sci. 6, 3931-3939 (2015).
- Guo, J., et al. Conjugated organic framework with three-dimensionally ordered stable structure and delocalized pi clouds. Nat Commun. 4, 2736 (2013).
- Furukawa, H., Yaghi, O. M. Storage of Hydrogen, Methane, and Carbon Dioxide in Highly Porous Covalent Organic Frameworks for Clean Energy Applications. J Am Chem Soc. 131, 8875-8883 (2009).
- Xu, F., et al. Electrochemically active, crystalline, mesoporous covalent organic frameworks on carbon nanotubes for synergistic lithium-ion battery energy storage. Sci Rep-Uk. 5, 8225 (2015).
- El-Kaderi, H. M., et al. Designed synthesis of 3D covalent organic frameworks. Science. 316, 268-272 (2007).
- Ruigomez, A. D., et al. Direct On-Surface Patterning of a Crystalline Laminar Covalent Organic Framework Synthesized at Room Temperature. Chem Eur J. 21, 10666-10670 (2015).
- Segura, J. L., Mancheno, M. J., Zamora, F. Covalent organic frameworks based on Schiff-base chemistry: synthesis, properties and potential applications. Chem Soc Rev. 45, 5635-5671 (2016).
- Abrishamkar, A., et al. Microfluidic Pneumatic Cages: A Novel Approach for In-chip Crystal Trapping, Manipulation and Controlled Chemical Treatment. J Vis Exp. (113), e54193 (2016).
- Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J. A., Whitesides, G. M. Rapid prototyping of microfluidic systems in poly(dimethylsiloxane). Anal Chem. 70, 4974-4984 (1998).
- Rubio-Martinez, M., et al. Freezing the Nonclassical Crystal Growth of a Coordination Polymer Using Controlled Dynamic Gradients. Adv Mater. 28, 8150-8155 (2016).
- Liu, H., et al. A Catalytic Chiral Gel Microfluidic Reactor Assembled via Dynamic Covalent Chemistry. Chem Sci. 6, 2292-2296 (2015).
- Puigmarti-Luis, J., et al. Stepwise Template Growth of Functional Nanowires from an Amino Acid-Supported Framework in a Microfluidic Chip. ACS Nano. 8 (1), 818-826 (2014).
