Gyroid Nickel nanostrukturer fra diblock copolymer Supramolecules
Summary
Denne artikkelen beskriver utarbeidelse av velordnet nikkel nanofoams via strømløs metall avlegging på nanoporøse maler hentet fra selv montert diblock copolymer basert supramolecules.
Abstract
Nanoporøse metall skum har en unik kombinasjon av egenskaper – de er katalytisk aktivt, termisk og elektrisk ledende, og videre, har høy porøsitet, høy overflate-til-volum-og styrke-til-vekt-forhold. Dessverre, felles tilnærming for utarbeidelse av metalliske nanostrukturer gjengi materiale med svært uordnede arkitektur, noe som kan ha en negativ effekt på deres mekaniske egenskaper. Blokkopolymerer har muligheten til å selv montere inn bestilt nanostrukturer og kan brukes som maler for utarbeidelse av velordnet metall nanofoams. Her beskriver vi bruk av en blokk kopolymer basert supra kompleks – polystyren-block-poly (4-vinylpyridine) (pentadecylphenol) PS-b-P4VP (PDP) – som en forløper for velordnet nikkel nanofoam. De supramolekylære komplekser utviser en faseoppførsel lik konvensjonell blokkopolymerer og kan selv montere inn den bikontinuerlig gyroid morfologi viddh to PS nettverk er lagt inn i en P4VP (PDP) matrise. PDP kan være oppløst i etanol som fører til dannelsen av en porøs struktur som kan bli fylt igjen med metall. Ved hjelp av strømløs pletteringsteknikk, kan nikkel innføres i malens kanaler. Til slutt kan de gjenværende polymer fjernes via pyrolyse av polymeren / uorganisk nanohybrid resulterer i nanoporøse nikkelskum med invers gyroid morfologi.
Introduction
Det finnes flere teknikker for utarbeidelse av metall nanofoams: dealloying 1-3, nærmer sol-gel 4,5, nanosmelting 6,7, og forbrenning syntese åtte. I dealloying prosessen, er utgangsmaterialet vanligvis en binær legering, eksempelvis en legering av sølv og gull. Jo mindre edelmetall, sølv i dette tilfellet, kan fjernes enten kjemisk eller elektrokjemisk resulterer i en unormal porøst gull-skum med nanosized leddbånd. I forbrenning syntese, er metall blandet med en energisk forløper som frigjør energi i løpet av sin nedbrytning og driver dannelsen av metall nanofoam åtte. Studier av den mekaniske oppførsel av metallskum tyder på at i uordnede arkitekturer påkjenninger ikke kan overføres effektivt fra ligament nanoskala til den generelle macroscale 9-11. Således velordnet metall nanofoams ventes å ha overlegne mekaniske egenskaper i forhold tiluordnede seg.
Ideen representert her er å ansette blokkopolymerer som selv samler inn bestilte nanostrukturer som forløpere til metall nanofoams. Avhengig av sammensetningen av en blokk-kopolymer, det totale antall av monomerenheter og graden av frastøtning mellom de kjemisk forbundne blokker, vises forskjellige morfologier for eksempel: sfærisk, sylindrisk, lamellære, dobbelt gyroid, hexagonally perforert lamellær, og andre 12-14 . Videre kan polymer blokker bli degradert selektivt fører til nanoporøse materialer 15. De vanligste metodene er: ozonolyse 16-18, UV bestråling 19, reaktiv ion etsing 20-22, og oppløsning 23-26. De genererte porøse strukturer kan bli fylt igjen med forskjellige uorganiske materialer. Metalloksider (f.eks SiO 2, TiO 2) er vanligvis introdusert via sol-gel metode inn i malen kanalene 27-29. Electrochemical og electro plating blir ofte brukt for å deponere metall inn i eller på maler 30-33. Til slutt kan de gjenværende polymer fjernes fra polymer / uorganisk nanohybrid via pyrolyse 2, 34,35 oppløsning, UV-nedbrytning 28,29 osv.
I vår tilnærming, starter vi fra en supra kompleks av polystyren-blokk-poly (4-vinylpyridine) (PS-b-P4VP) diblock copolymer og amfifil pentadecylphenol (PDP) molekyler. Dette komplekset er et resultat av hydrogenbinding mellom PDP-og pyridinringene (Figur 1a). Sammensetningen av startblokk-kopolymer og mengden av tilsatt PDP er valgt på en slik måte at de oppnådde system selv setter sammen i bikontinuerlig dobbelt gyroid morfologi med en PS-nettverk og en P4VP (PDP) matrise (Figur 1b). PDP-molekyler bli selektivt oppløst i etanol og P4VP kjedene kollaps på PS nettverk (Figur 1c). Deretter, ved hjelp av strømløs pletteringsmetode, er nikkel deponert i porene i malen (Fig. 1d). Etter fjerning av den resterende polymer via pyrolyse, er et ordnet gyroid nikkel nanofoam erholdt (figur 1e).
Protocol
Representative Results
Discussion
Supramolekylære komplekser er med hell brukes som forløpere for velordnet metall nanofoams. I denne metoden, er det avgjørende skritt for å skaffe deg riktig mal, dvs. en mal med gyroid morfologi. I fasediagrammet av blokk-kopolymerer på gyroid regionen er svært liten, og det er ganske vanskelig å målrette. Dette betyr at dersom konvensjonelle blokk-kopolymerer anvendes som utgangsmaterialer, har ganske utførlig syntese gjentas inntil den ønskede sammensetning, som gir opphav til den gyroid morfologi,…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi erkjenner økonomisk støtte ved Zernike Institute for Advanced Materials, University of Groningen.
Materials
| REAGENTS: | |||
| PS-b-P4VP, CAS: 26222-40-2 | Polymer Source Inc. | P9009-S4VP P136-S4VP P5462-S4VP P3912-S4VP |
additional information are provided in a separate table |
| PDP | Aldrich | P4402-100G-A | recrystallized twice from petroleum ether |
| SnCl2 | Acros Organics | 196981000 | |
| PdCl2 | Aldrich | 76050 | |
| NiSO4 x H2O | Sigma-Aldrich | 227676 | |
| lactic acid | Aldrich | W261106 | |
| citric acid trisodium salt | Sigma-Aldrich | C3674 | |
| borane dimethyl amine complex | Aldrich | 180238 | |
| PS-b-P4VP catalogue number | Mn (PS), g/mol | Mn(P4VP), g/mol | PDI |
| P9009-S4VP | 24000 | 9500 | 1.1 |
| P136-S4VP | 31900 | 13200 | 1.08 |
| P5462-S4VP | 37500 | 16000 | 1.3 |
| P3912-S4VP | 41500 | 17500 | 1.07 |
Referências
- Erlebacher, J., Aziz, M. J., Karma, A., Dimitrov, N., Sieradzki, K. Evolution of nanoporosity in dealloying. Nature. 410, 450-453 (2001).
- Nyce, G. W., Hayes, J. R., Hamza, A. V., Satcher, J. H. Synthesis and Characterization of Hierarchical Porous Gold Materials. Chem. Mater. 19, 344-346 (2007).
- Detsi, E., van de Schootbrugge, M., Punzhin, S., Onck, P. R., De Hosson, J. T. M. On tuning the morphology of nanoporous gold. Scripta Mater. 64, 319-322 (2011).
- Gacoin, T., Lahlil, K., Larregaray, P., Boilot, J. P. Transformation of CdS Colloids: Sols, Gels, and Precipitates. J. Phys. Chem. B. 105, 10228-10235 (2001).
- Tappan, B. C., Steiner, S. A., Luther, E. P. Nanoporous Metal Foams. Angew. Chem. Int. Ed. 49, 4544-4565 (2010).
- Leventis, N., Chandrasekaran, N., Sadekar, A. G., Sotiriou-Leventis, C., Lu, H. One-Pot Synthesis of Interpenetrating Inorganic/Organic. Networks of CuO/Resorcinol-Formaldehyde Aerogels: Nanostructured Energetic Materials. J. Am. Chem. Soc. 131, 4576-4577 (2009).
- Leventis, N., Chandrasekaran, N., Sotiriou-Leventis, C., Mumtaz, A. Smelting in the age of nano: iron aerogels. J. Mater. Chem. 19, 63-65 (2009).
- Tappan, B. C., et al. Ultralow-Density Nanostructured Metal Foams: Combustion Synthesis, Morphology, and Composition. J. Am. Chem. Soc. 128, 6589-6594 (2006).
- Ashby, M. F., et al. Metal Foams: a Design Guide. Butterworth-Heinemann. , (2000).
- Tekoglu, C. Size Effects in Cellular Solids. , (2007).
- Amsterdam, E. Structural Performance and Failure Analysis of Aluminium Foams. , (2008).
- Bates, F. S., Fredrickson, G. H. Block Copolymer Thermodynamics: Theory and Experiment. Annu. Rev. Phys. Chem. 41, 525-527 (1990).
- Hamley, I. W. . The Physics of Block Copolymers. , (1998).
- Abetz, V., Simon, P. . Advances in Polymer Science. , (2005).
- Hillmyer, M. A. Nanoporous Materials from Block Copolymer Precursors. Adv. Polym. Sci. 190, 137-181 (2005).
- Mansky, P., Harrison, C. K., Chaikin, P. M., Register, R. A., Yao, N. Nanolithographic templates from diblock copolymer thin films. Appl. Phys. Lett. 68, 2586-2588 (1996).
- Hashimoto, T., Tsutsumi, K., Funaki, Y. Nanoprocessing Based on Bicontinuous Microdomains of Block Copolymers: Nanochannels Coated with Metals. Langmuir. 13, 6869-6872 (1997).
- Chen, S. -. Y., Huang, Y., Tsiang, R. C. -. C. Ozonolysis efficiency of PS-b-PI block copolymers for forming nanoporous polystyrene. J. Polym. Sci. A Polym. Chem. 46, 1964-1973 (2008).
- Thurn-Albrecht, T., et al. Nanoscopic Templates from Oriented Block Copolymer Films. Adv. Mater. 12, 787-791 (2000).
- Park, M., Harrison, C., Chaikin, P. M., Register, R. A., Adamson, D. H. Block Copolymer Lithography: Periodic Arrays of ~1011 Holes in 1 Square Centimeter. Science. 276, 1401-1404 (1997).
- Cheng, J. Y., Ross, C. A., Thomas, E. L., Smith, H. I., Vancso, G. J. Fabrication of nanostructures with long-range order using block copolymer lithography. Appl. Phys. Lett. 81, 3657-3659 (2002).
- Voet, V. S. D., et al. Interface Segregating Fluoralkyl-Modified Polymers for High-Fidelity Block Copolymer Nanoimprint Lithography. J. Am. Chem. Soc. 133, 2812-2815 (2011).
- Zalusky, A. S., Olayo-Valles, R., Wolf, J. H., Hillmyer, M. A. Ordered Nanoporous Polymers from Polystyrene-Polylactide Block Copolymers. J. Am. Chem. Soc. 124, 12761-12773 (2002).
- Crossland, E. J. W., et al. A Bicontinuous Double Gyroid Hybrid Solar Cell. Nano Lett. 9, 2807-2812 (2008).
- Uehara, H., et al. Size-Selective Diffusion in Nanoporous but Flexible Membranes for Glucose Sensors. ACS Nano. 3, 924-932 (2009).
- Voet, V. S. D., et al. Poly(vinylidene fluoride)/nickel nanocomposites from semicrystalline block copolymer precursors. Nanoscale. 5, 184-192 (2013).
- Brinker, C. J., Scherer, J. W. . Sol-Gel Science: The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing. , (1990).
- Hsueh, H. -. Y., et al. Inorganic Gyroid with Exceptionally Low Refractive Index from Block Copolymer Templating. Nano Lett. 10, 4994-5000 (2010).
- Hsueh, H. -. Y., Ho, R. -. M. Bicontinuous Ceramics with High Surface Area from Block Copolymer Templates. Langmuir. 28, 8518-8529 (2012).
- Riedel, W. . Electroless Nickel Plating. , (1991).
- Mallory, G. O., Hajdu, J. B. Electroless Plating: Fundamentals and Applications. American Electroplaters and Surface Finishers Society. , (1992).
- Djokić, S. S. . Modern Aspects of Electrochemistry. , (2002).
- Djokić, S. S., Cavallotti, P. L. . Modern Aspects of Electrochemistry. , (2010).
- Crossland, E. J. W., Ludwigs, S., Hillmyer, M. A., Steiner, U. Control of gyroid forming block copolymer templates: effects of an electric field and surface topography. Soft Matter. 6, 670-676 (2010).
- Hsueh, H. Y., et al. Nanoporous Gyroid Nickel from Block Copolymer Templates via Electroless Plating. Adv. Mater. 23, 3041-3046 (2011).
- Vukovic, I., et al. Supramolecular Route to Well-Ordered Metal Nanofoams. ACS Nano. 5, 6339-6348 (2011).
- Mao, H., Hillmyer, M. A. Macroscopic samples of polystyrene with ordered three-dimensional nanochannels. Soft Matter. 2, 57-59 (2006).
- Kobayashi, Y., Tadaki, Y., Nagao, D., Konno, M. Deposition of Gold Nanoparticles on Polystyrene Spheres by Electroless Metal Plating Technique. J. Phys. Conf. Ser. 61, 582-586 (2007).
- Finnefrock, A. C., Ulrich, R., Toombes, G. E., Gruner, S. M., Wiesner, U. The plumber’s nightmare: a new morphology in block copolymer-ceramic nanocomposites and mesoporous aluminosilicates. J. Am. Chem. Soc. 125, 13084-13093 (2003).
- Tyler, C. A., Morse, D. C. Orthorhombic Fddd network in triblock and diblock copolymer melts. Phys. Rev. Lett. 94, 208-302 (2005).
- Ranjan, A., Morse, D. C. Landau theory of the orthorhombic Fddd phase. Phys. Rev. E. 74, 011803 (2006).
- Kim, M. I., et al. Stability of the Fddd Phase in Diblock Copolymer Melts. Macromolecules. 41, 7667-7670 (2008).
