Gyroid Níquel Nanoestructuras de copolímero de dibloques supramoléculas
Summary
En este artículo se describe la preparación de nanoespumas níquel bien ordenados a través de la deposición no electrolítica de metal sobre las plantillas nanoporosas obtenidos de supramoléculas basadas copolímero dibloque autoensamblado.
Abstract
Espumas metálicas Nanoporous poseen una combinación única de propiedades – que son catalíticamente activo, térmica y eléctricamente conductora, y además, tienen una alta porosidad, alta relación de superficie a volumen y resistencia-peso. Desafortunadamente, los enfoques comunes para la preparación de nanoestructuras metálicas hacen que los materiales con una arquitectura altamente desordenada, lo que podría tener un efecto adverso en sus propiedades mecánicas. Los copolímeros de bloques tienen la capacidad de auto-ensamblarse en nanoestructuras ordenadas y se pueden aplicar como plantillas para la preparación de nanoespumas de metal bien ordenadas. Aquí se describe la aplicación de un complejo supramolecular basada en copolímero de bloque – poliestireno de bloque de poli (4-vinilpiridina) (pentadecilfenol) PS-b-P4VP (PDP) – como precursor para la bien ordenada nanoespuma níquel. Los complejos supramoleculares exhiben un comportamiento de fases similares a los copolímeros de bloques convencionales y pueden auto-ensamblarse en el bicontinuo ingenio morfología giroideh dos redes PS colocados en una P4VP (PDP) de la matriz. PDP puede ser disuelto en etanol conduce a la formación de una estructura porosa que puede ser rellenada con el metal. Utilizando la técnica de deposición sin corriente eléctrica, el níquel puede ser insertado en los canales de la plantilla. Por último, el polímero restante puede eliminarse a través de la pirólisis de la nanohíbrido polímero / inorgánico resultante en espuma de níquel nanoporoso con morfología giroide inversa.
Introduction
Hay varias técnicas disponibles para la preparación de nanoespumas de metal: dealloying 1-3, de sol-gel se acerca 4,5, nanosmelting 6,7, y la síntesis de combustión 8. En el proceso de dealloying, el material de partida es generalmente una aleación binaria, por ejemplo, una aleación de plata y oro. El metal menos noble, de plata en este caso, se puede eliminar ya sea químicamente o electroquímicamente resulta en una espuma de oro porosa desordenada con ligamentos de tamaño nanométrico. En la síntesis de combustión, de metal se mezcla con un precursor energético que libera energía durante su descomposición y impulsa la formación de nanoespuma de metal 8. Los estudios sobre el comportamiento mecánico de las espumas de metal indican que en arquitecturas desordenados tensiones no se pueden transmitir de manera efectiva desde la nanoescala ligamento a la macroescala general 9-11. Por lo tanto se espera que nanoespumas de metal bien ordenados que tienen propiedades mecánicas superiores en comparación con lalos desordenados.
La idea representada aquí es el empleo de copolímeros de bloque que la auto-ensamblarse en nanoestructuras ordenadas como precursores de nanoespumas metal. Dependiendo de la composición de un copolímero de bloque, el número total de unidades de monómero y el grado de repulsión entre los bloques conectados químicamente, diversas morfologías parecen tales como: esférica, cilíndrica, lamelar, doble giroide, hexagonal laminar perforado, y otros 12-14 . Además, los bloques de polímero pueden ser degradados de manera selectiva conduce a materiales nanoporoso 15. Los métodos más comunes son: ozonólisis 16-18, la irradiación UV 19, grabado por iones reactivos 20-22, 23-26 y disolución. Las estructuras porosas generados pueden ser rellenados con diversos materiales inorgánicos. Los óxidos de metal (por ejemplo, SiO2, TiO2) son generalmente introducidos mediante el método sol-gel en los canales de la plantilla 27-29. Elchapado ectrochemical y no electrolíticos se utilizan comúnmente para depositar el metal en o sobre plantillas de 30-33. Finalmente, el polímero restante puede ser retirado de la nanohíbrido polímero / inorgánico a través de pirólisis 2, 34,35 disolución, la degradación UV 28,29, etc
En nuestro enfoque, se parte de un complejo supramolecular de poliestireno en bloques de poli (4-vinilpiridina) (PS-b-P4VP) copolímero de dos bloques y pentadecilfenol anfifílico (PDP) moléculas. Este complejo es el resultado de la unión de hidrógeno entre PDP y anillos de piridina (Figura 1A). La composición del copolímero de bloque de partida y la cantidad de agregado de PDP se eligen de tal manera que el sistema se auto-ensambla obtenidos en la bicontinua morfología giroide doble con una red de PS y una P4VP (PDP) de la matriz (Figura 1b). Moléculas del PPD se disuelven selectivamente en etanol y P4VP cadenas colapso en la red PS (Figura 1c). Posteriormente, utilizando el método de revestimiento no electrolítico, de níquel se deposita en los poros de la plantilla (Figura 1d). Después de la eliminación del polímero restante a través de la pirólisis, un nanoespuma níquel giroide bien ordenada se obtiene (Figura 1e).
Protocol
Representative Results
Discussion
Complejos supramoleculares se aplican con éxito como precursores para nanoespumas de metal bien ordenadas. En este método, el paso crucial es la adquisición de la plantilla adecuada, es decir, una plantilla con morfología giroide. En el diagrama de fase de copolímeros de bloques de la región giroide es muy pequeño y es bastante difícil para apuntar. Esto significa que si copolímeros de bloques convencionales se utilizan como materiales de partida, la síntesis bastante elaborado tiene que ser repetido …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Reconocemos el apoyo financiero del Instituto de Zernike de Materiales Avanzados de la Universidad de 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).
