Summary

Skikt för skikt syntes och överföring av fristående Conjugated mikroporös 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 stora material ytarea har väckt växande intresse nyligen, på grund av deras höga variabiliteten i inkorporeringen av funktionella grupper i kombination med deras enastående termisk och kemisk stabilitet, och låga densiteter. Men orsakar deras olösliga naturen problem i deras bearbetning sedan vanligen används tekniker såsom spinnbeläggning är inte tillgängliga. Speciellt för membrantillämpningar, där behandlingen av CMP som tunna filmer är önskvärd, har bearbetningsproblem hindrade deras kommersiella tillämpningar.

Här beskriver vi gräns syntesen av CMP tunna filmer på funktionaliserade substrat via molekyl skikt-för-skikt (LBL) syntes. Detta förfarande möjliggör framställning av filmer med önskad tjocklek och sammansättning och även önskad sammansättning gradienter.

Användningen av offer stöd möjliggör framställning av fristående membran genom upplösning av stödet eftersyntesen. För att hantera sådana ultratunna fristående membran skydd med offer beläggningar visade stort löfte, för att undvika bristning av nanomembranes. För att överföra de nanomembranes till det önskade substratet, de belagda membranen upfloated vid luft-vätskegränsytan och sedan överföras via doppbeläggning.

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. Syntes av CMP tunna filmer genom sekventiell tillsats Själv monterade monolager (SAM) funktionalisering av guld på glimmer. Bered 1 mM lösning av 11-tioacetyl-undekan syra propargyl amid 14 i etanol (SAM-lösning). Blanda med hjälp av ultraljudsbad tills lösningen är klar. Skydda flaskan från ljus med hjälp av aluminiumfolie. Skaffa guldbelagda glimmer skiva under argon. Efter utträde ur förvaringsbehållaren fördjupa glimmer skivan direkt till SAM-lösning u…

Representative Results

Membranen kännetecknas av IR-reflexion absorptionsspektroskopi (IRRAS). 16 Figur 4 visar irra-spektra från en CMP-membran överfördes till en guldskiva. Typiska band från vibrationerna i den aromatiska huvudkedjan är på 1,605 cm-1, 1,515 cm-1 och 1,412 cm-1. Oreagerade alkyn- och azid-grupper kan observeras med karakteristiska band vid 2,125 cm-1 och 1,227 cm-1. Figur 5 visar ett svepelektronmikroskop (SEM) bild. De…

Discussion

För syntesen av CMP-filmen lösningen av katalysatom måste vara färskt. En trasig katalysator (dvs oxiderat) indikeras av en blåfärgning av lösningen. Den färska lösningen är färglös.

En avgörande punkt är att skära kanterna på glimmer substratet efter spinnbeläggning PMMA. Även defekter i substratet bör skäras, dvs varje fläck var PMMA kan komma i kontakt med glimmersubstrat, på grund av en saknad guldskikt. Annars guldskiktet kan inte skalas av från …

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).
check_url/kr/53324?article_type=t

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