Summary

Lag-på-lag Syntese og overføring av Frittstående Conjugated mikroporøse Polymer Nanomembranes

Published: December 15, 2015
doi:

Summary

In this paper we describe the interfacial synthesis of conjugated microporous polymers (CMP) on sacrificial substrates, and the dissolution of the substrate for the preparation of freestanding CMP nanomembranes. In addition, we will describe how the fragile nanomembranes can be transferred to other substrates.

Abstract

CMP som stort areal materialer har tiltrukket seg økende interesse sist, på grunn av deres høye variasjon i inkorporering av funksjonelle grupper i kombinasjon med sine fremragende termisk og kjemisk stabilitet, og lave densiteter. Men deres uoppløselige natur forårsaker problemer i deres behandling, siden vanligvis anvendt teknikker som spinnbelegging er ikke tilgjengelige. Spesielt for membran applikasjoner, der behandlingen av CMP som tynne filmer er ønskelig, har behandlingsproblemer hindret deres kommersiell anvendelse.

Her beskriver vi grense syntese av CMP tynne filmer på funksjon underlag via molekylære lag-på-lag (lbl) syntese. Denne prosessen gjør utarbeidelse av filmer med ønsket tykkelse og sammensetning, og selv ønsket sammensetning gradienter.

Bruken av offer bærere muliggjør fremstilling av frittstående membraner ved oppløsning av bæreren ettersyntesen. Til å håndtere slike ultra-tynne frittstående membraner beskyttelse med offer belegg viste store løftet, for å unngå brudd på de nanomembranes. For å overføre nanomembranes til det ønskede substrat, blir de belagte membraner upfloated ved luft-væske-grensesnittet, og deretter overføres via dip coating.

Introduction

The preparation of ultra-thin polymer membranes is of high interest for applications in gas separation and nanofiltration. Challenges in the synthesis are represented by (a) the control of the membrane thickness and the homogeneity and (b) transfer of such fragile membranes. To overcome challenge (a), molecular layer-by-layer synthesis1 has shown great promise in controlling the thickness and homogeneity of thin films grown at the solid-liquid interface.2,3 Controlling the number of layers linearly controls the film thickness. The l-b-l method has been successfully used to fabricate surface mounted metal organic frameworks (SURMOFs),4-7 also the synthesis of thin polymer films via l-b-l reaction of polymer chains was demonstrated.8 The challenge (b) concerns the handling of these ultra-thin membranes. To avoid rupture or wrinkling of the nanomembranes sacrificial supports of coatings have shown great promise. 9

Here we will present a detailed protocol for synthesis of conjugated microporous polymer (CMP)10-13 thin films through sequential addition of the molecular building blocks, with desired thickness and composition. The preparation of free-standing CMP nanomembranes is achieved by using a sacrificial support. To handle and transfer the CMP nanomembranes to other supports we will describe a simple protocol to protect the membranes with sacrificial coatings and their upfloating to the liquid air interface and subsequent transfer using dip-coating.

Protocol

1. Syntese av CMP Thin Films gjennom Sekvensiell Addition Self-montert monolayer (SAM) funksjonalisering av gull på glimmer. Forbered 1 mM oppløsning av 11-tioacetyl-undecan syre-propargyl amid 14 i etanol (SAM-oppløsning). Bland bruker ultralydbad til oppløsningen er klar. Beskytt flasken mot lys ved hjelp av aluminiumsfolie. Få gull belagt glimmer wafer under argon. Etter tilbaketrekning fra lagringstanken senk glimmer wafer direkte til SAM-løsning i 18 timer. </li…

Representative Results

Membranene er kjennetegnet ved infrarød refleksjons-absorpsjonsspektroskopi (IRRAS). 16 Figur 4 viser IRRA-spektra fra en CMP-membran overført til en gullplate. Typiske band fra vibrasjonene fra den aromatiske ryggrad er på 1,605 cm -1, 1.515 cm -1 og 1,412 cm -1. Uomsatte alkyn og azid-grupper kan bli observert av karakteristiske bånd ved 2,125 cm og 1,227 cm -1 -1. Figur 5 viser et scanning-elektronmikroskopi (SEM) bildet. Den…

Discussion

For syntesen av den CMP-film oppløsningen av katalysatoren må være fersk. En ødelagt katalysator (dvs. oksidert) er angitt med en blåfarging av løsningen. Den friske løsningen er fargeløs.

Et viktig punkt er å klippe kantene av glimmer substratet etter spinnbelegging PMMA. Også defekter i substratet bør kuttes, dvs. ble hver flekk i PMMA kan komme i kontakt med glimmer substratet, på grunn av en manglende gullsjikt. Ellers gullsjiktet kan bli strippet av fra sub…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The authors have no acknowledgements.

Materials

Acetone VWR BDH Prolabo 20066.330 AnalR NORMAPUR
Potassium iodide VWR BDH Prolabo 26846.292 AnalR NORMAPUR
Ethyl acetate VWR BDH Prolabo 23882.321 AnalR NORMAPUR
Tetrahydrofurane (THF) VWR BDH Prolabo 28559.320 HiPerSolv CHROMANORM
THF waterfree Merck Millipore 1.08107.1001 SeccoSolv
Iodine Sigma-Aldrich 20,777-2
Tetrakis(acetonitrile)copper(I)hexafluoro-phosphate Sigma-Aldrich 346276-5G
Poly(methyl methacrylate) 996 kDa (PMMA) Sigma-Aldrich 182265-25G
1.1.1.1 Methanetetrayltetrakis(4-azidobenzene) (TPM-azide) provided by AK Prof. Bräse. Institute of organic chemistry, Karlsruhe Institute of Technology. Synthesized according to9
1.1.1.1 Methanetetrayltetrakis(4-ethinylenebenzene) (TPM-alkyne) provided by AK Prof. Bräse. Institute of organic chemistry, Karlsruhe Institute of Technology. Synthesized according to9
11-thioacetyl-undecaneacid propargylamide provided by AK Prof. Bräse. Institute of organic chemistry, Karlsruhe Institute of Technology. Synthesized according to8
gold/titan coated silicium-wafer Georg Albert PVD, 76857 Silz, Germany
gold coated mica Georg Albert PVD, 76857 Silz, Germany

References

  1. Lindemann, P., et al. Preparation of Freestanding Conjugated Microporous Polymer Nanomembranes for Gas Separation. Chemistry of Materials. 26 (24), 7193-71 (2014).
  2. Kim, M., et al. Preparation of Ultrathin Films of Molecular Networks through Layer-by-Layer Cross-Linking Polymerization of Tetrafunctional Monomers. Macromolecules. 44 (18), 7092-7095 (2011).
  3. Vonhören, B., et al. Ultrafast Layer-by-Layer Assembly of Thin Organic Films Based on Triazolinedione Click Chemistry. ACS Macro Letters. 4 (3), 331-334 (2015).
  4. Shekhah, O., et al. Step-by-Step Route for the Synthesis of Metal−Organic Frameworks. Journal of the American Chemical Society. 129 (49), 15118-15119 (2007).
  5. Shekhah, O., Wang, H., Zacher, D., Fischer, R. A., Wöll, C. Growth Mechanism of Metal–Organic Frameworks: Insights into the Nucleation by Employing a Step-by-Step Route. Angewandte Chemie International Edition. 48 (27), 5038-5041 (2009).
  6. Shekhah, O., Liu, J., Fischer, R. A., Wöll, C. MOF thin films: existing and future applications. Chemical Society Reviews. 40 (2), 1081-1106 (2011).
  7. Liu, J., et al. Deposition of Metal-Organic Frameworks by Liquid-Phase Epitaxy: The Influence of Substrate Functional Group Density on Film Orientation. Materials. 5 (9), 1581-1592 (2012).
  8. Such, G. K., Quinn, J. F., Quinn, A., Tjipto, E., Caruso, F. Assembly of Ultrathin Polymer Multilayer Films by Click Chemistry. Journal of the American Chemical Society. 128 (29), 9318-9319 (2006).
  9. Ai, M., et al. Carbon Nanomembranes (CNMs) Supported by Polymer: Mechanics and Gas Permeation. Advanced Materials. 26 (21), 3421-3426 (2014).
  10. Jiang, J. -. X., Cooper, A. I. in Functional Metal-Organic Frameworks: Gas Storage, Separation and Catalysis. Topics in Current Chemistry. (ed Martin Schröder) Ch. 293, 1-33 (2010).
  11. Dawson, R., Cooper, A. I., Adams, D. J. Nanoporous organic polymer networks. Progress in Polymer Science. 37 (4), 530-563 (2012).
  12. Muller, T., Bräse, S. Click Chemistry Finds Its Way into Covalent Porous Organic Materials. Angewandte Chemie International Edition. 50 (50), 11844-11845 (2011).
  13. Tsotsalas, M., Addicoat, M. A. Covalently linked organic networks. Frontiers in Materials. 2, (2015).
  14. Kleinert, M., Winkler, T., Terfort, A., Lindhorst, T. K. A modular approach for the construction and modification of glyco-SAMs utilizing 1,3-dipolar cycloaddition. Organic & Biomolecular Chemistry. 6 (12), 2118-2132 (2008).
  15. Plietzsch, O., et al. Four-fold click reactions: Generation of tetrahedral methane- and adamantane-based building blocks for higher-order molecular assemblies. Organic & Biomolecular Chemistry. 7, (2009).
  16. Greenler, R. G. Infrared Study of Adsorbed Molecules on Metal Surfaces by Reflection Techniques. The Journal of Chemical Physics. 44 (1), (1966).

Play Video

Cite This Article
Lindemann, P., Träutlein, Y., Wöll, C., Tsotsalas, M. Layer-by-layer Synthesis and Transfer of Freestanding Conjugated Microporous Polymer Nanomembranes. J. Vis. Exp. (106), e53324, doi:10.3791/53324 (2015).

View Video