सहसंयोजक कार्बनिक फ़्रेमवर्क (सीओएफ) के माइक्रोफ्लुइडिक-आधारित संश्लेषण: सीओएफ फाइबर्स के सतत उत्पादन और सतह पर डायरेक्ट प्रिंटिंग के लिए एक उपकरण
Summary
हम सहसंयोजक कार्बनिक फ़्रेमवर्क (सीओएफ) के संश्लेषण के लिए एक उपन्यास माइक्रोफ्लुइड-आधारित विधि पेश करते हैं। हम यह दर्शाते हैं कि इस दृष्टिकोण का उपयोग सीओएफ फाइबर लगातार सृजन करने के लिए और सतहों पर 2 डी या 3 डी सीओएफ संरचनाओं के लिए भी किया जा सकता है।
Abstract
सहसंयोजक कार्बनिक फ़्रेमवर्क (सीओएफ) झरझरा सहसंयोजक सामग्रियों का एक वर्ग है जो अक्सर बिना असंयदेय क्रिस्टलीय पाउडर के रूप में संश्लेषित होते हैं। 2005 में पहली सीओओफ़ की इसकी तैयारी के लिए नए सिंथेटिक मार्गों की स्थापना पर केन्द्रित बहुत प्रयास किया गया था। तिथि करने के लिए, COF संश्लेषण के लिए सबसे अधिक उपलब्ध सिंथेटिक विधियां सोलवॉथर्मल स्थितियों के तहत थोक मिश्रण पर आधारित हैं। इसलिए, सीओएफ संश्लेषण के लिए व्यवस्थित प्रोटोकॉल विकसित करने में रुचि बढ़ रही है जो प्रतिक्रिया की स्थिति पर बेहतर नियंत्रण प्रदान करती है और सतहों पर सीओओफ़ प्रोसेसिबिलिटी में सुधार करती है, जो व्यावहारिक अनुप्रयोगों में उनके उपयोग के लिए आवश्यक है। इस बीच, हम सीओएफ संश्लेषण के लिए एक उपन्यास माइक्रोफ्ल्युडायलिक-आधारित पद्धति पेश करते हैं, जहां दो घटक निर्माण ब्लॉकों, 1,3,5-बेंजेनेटिकारबैल्डिहाइड (बीटीसीए) और 1,3,5-टीआरआई (4-एमिनोफेनिइल) बेंजीन (टीएपीबी) के बीच प्रतिक्रिया, नियंत्रित प्रसार की स्थिति के तहत होता है और कमरे के तापमान पर। इस तरह के एक दृष्टिकोण का उपयोग स्पंज की तरह, रोता हैसीओएफ सामग्री के लम्बाइन फाइबर, इसके बाद एमएफ-सीओएफ कहा जाता है एमएफ-सीओएफ के यांत्रिक गुणों और दृष्टिकोण की गतिशील प्रकृति, एमएफ-सीओओफ़ फाइबर के निरंतर उत्पादन और सतहों पर उनकी प्रत्यक्ष प्रिंटिंग की अनुमति देते हैं। सामान्य विधि नए संभावित अनुप्रयोगों को लचीला या कठोर सतहों पर 2 डी या 3 डी सीओएफ संरचनाओं के उन्नत मुद्रण की आवश्यकता होती है।
Introduction
सहसंयोजक कार्बनिक फ़्रेमवर्क (सीओएफ) एक भरोसेमंद और क्रिस्टलीय सामग्री का एक अच्छी तरह से स्थापित वर्ग है जिसमें कार्बनिक निर्माण ब्लॉकों को सहसंयोजक बंध 1 , 2 , 3 , 4 , 5 द्वारा मजबूती से एक साथ रखा जाता है। सीओओफ़ विशेष रूप से सुपरमौलेक्युलर रसायन शास्त्र सिद्धांतों के बाद इकट्ठा होते हैं, जहां घटक आणविक इमारत ब्लॉकों का चयन अंतिम और पूर्वनिश्चित झरझरा विधानसभा को परिभाषित करने के लिए किया जाता है। इस तरह के दृष्टिकोण से सामग्री के संश्लेषण को नियंत्रित और आज्ञाकारी ढांचे ( जैसे , परिभाषित छिद्र आयामों के साथ) और रचना 3 , 6 , 7 , 8 के साथ अनुमति देता है । अन्य झरझरा सामग्री की तुलना में, सीओएफ अद्वितीय हैं क्योंकि वे प्रकाश तत्वों (सी, एच, बी, एन और ओ) के शामिल हैं और ट्यून करने योग्य पोंरो हैं 1 सीटियां , 5 इन अनोखी और आंतरिक विशेषताओं से प्रेरित, सीओएफ का रासायनिक विभेद 9 , गैस भंडारण 10 और उत्प्रेरक 11 , सेंसर 12 , ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक 13 , स्वच्छ ऊर्जा प्रौद्योगिकियों 14 और विद्युत रासायनिक ऊर्जा उपकरणों 15 में संभावित आवेदन के लिए मूल्यांकन किया गया है।
आज तक, सीओएफ सामग्रियों की तैयारी के लिए इस्तेमाल किए जाने वाले बहुमत वाले तरीकों से सल्वोथर्मल आत्म-संघनन और सह-संक्षेपण प्रतिक्रियाओं पर आधारित होते हैं, जहां उच्च तापमान और दबाव मानक होते हैं। हालांकि सीओओफ़ ऊष्माय रूप से मजबूत हैं, वे आमतौर पर सीमित प्रक्रियाक्षमता से पीड़ित हैं, यानी , सीओएफ आम तौर पर अघुलनशील और अनुपयोगी क्रिस्टलीय पाउडर हैं, और यह काफी संभावित और व्यावहारिक अनुप्रयोगों में उनके उपयोग को सीमित करता हैSs = "xref"> 2 , 6 , 8 , 16 , 17 सीओओफ़ संश्लेषण में किए गए उल्लेखनीय प्रगति के बावजूद, क्षेत्र में एक बड़ी चुनौती, उपयुक्त प्रतिक्रिया स्थितियों ( जैसे , तापमान और दबाव) में सीओएफ की तैयारी को सक्षम करने के लिए एक विधि विकसित करना है, जिससे सतहों पर उनकी प्रोसेसिबिलिटी की सुविधा मिल सकती है।
हाल ही में, अध्ययनों से पता चला है कि शिफ-बेस केमिस्ट्री का इस्तेमाल कमरे के तापमान पर आईएमआईएन-आधारित सीओओफ़ को संश्लेषित करने के लिए किया जा सकता है। सीओएफ ने आरटी-सीओओएफ -1 नामित उत्पादन किया, 1,3,5-ट्राइस (4-एमिनोफेनिइल) बेंजीन (टीएपीबी) और 1,3,5-बेंजेनेटिकारबैल्डिहाइड (बीटीसीए) 17 ( चित्रा ) के बीच तेजी से और कुशल प्रतिक्रिया के कारण फॉर्म। 1 ए )। इस सिंथेटिक पद्धति की प्रभावशीलता को लिथोग्राफी का उपयोग करते हुए दोनों कठोर और लचीली सतहों पर माइक्रोन और आरटी-सीओएफ -1 के submicron पैटर्न की प्रत्यक्ष छपाई द्वारा प्रदर्शित किया गया थाइंकजेट प्रिंटिंग तकनीक हाल ही में, और माइक्रोफ्लुइडिक्स का इस्तेमाल करने के लिए हमने एमआईएफ-सीओएफ 6 नामक एक ही आईमैने-आधारित सीओएफ के फाइबर के लगातार संश्लेषण के लिए एक प्रभावी दृष्टिकोण का प्रदर्शन किया है। सीओएफ 18 की पीढ़ी के लिए अन्य रिपोर्ट सिंथेटिक दृष्टिकोण के विपरीत, यह माइक्रोफ़्लुइड-आधारित सिंथेटिक पद्धति कुछ सेकंड के भीतर परिवेश के तापमान और दबावों पर एमएफ-सीओओफ़ फाइबर के तीव्र संश्लेषण को सक्षम करती है। इसके अलावा, और संश्लेषित एमएफ-सीओओफ़ फाइबर की यांत्रिक स्थिरता के कारण, हमने यह दर्शाया है कि इस तरह की माइक्रोफ़्लुइड-आधारित पद्धति सतहों पर 2 डी और 3 डी संरचनाओं के प्रत्यक्ष मुद्रण को कैसे सक्षम कर सकती है। इस प्रकार, हम यह प्रदर्शित करते हैं कि इस पद्धति का उपयोग विभिन्न रासायनिक और भौतिक गुणों वाले विभिन्न सतहों पर COF संरचनाओं को आकर्षित करने के लिए किया जा सकता है। हम मानते हैं कि इस उपन्यास पद्धति ने विभिन्न दिशाओं और विभिन्न सतहों पर सीओएफ की अच्छी तरह से नियंत्रित पैटर्न और सीधी मुद्रण के लिए नए रास्ते खोल दिए हैं।
Protocol
Representative Results
Discussion
यहां रिपोर्ट की गई माइक्रोफ़्लुइड-आधारित सिंथेटिक पद्धति सतहों पर सीओएफ सामग्री के प्रत्यक्ष मुद्रण के लिए एक उपन्यास और सरल दृष्टिकोण प्रदान करती है। संश्लेषण एक एकल-परत microfluidic डिवाइस का उपयोग करते ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखकों ने परियोजना संख्या के माध्यम से वित्तीय सहायता के लिए स्विस नेशनल साइंस फाउंडेशन (एसएनएफ) को स्वीकार किया है। 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).
