Gyroid Nickel nanostructuren van diblokcopolymeer supramoleculen
Summary
Dit artikel beschrijft de bereiding van goed geordende nikkel nanofoams via stroomloos metalen neerslaan op nanoporeuze templates verkregen van zelf-geassembleerde diblokcopolymeer gebaseerd supramoleculen.
Abstract
Nanoporeuze metaalschuimen beschikken over een unieke combinatie van eigenschappen – ze zijn katalytisch actief, thermisch en elektrisch geleidend, en bovendien hebben hoge porositeit, hoge oppervlakte-volume en kracht-gewichtsverhouding. Helaas, een gemeenschappelijke aanpak voor de voorbereiding van metallische nanostructuren te maken van materialen met zeer wanordelijke architectuur, die een negatief effect op hun mechanische eigenschappen zou kunnen hebben. Blokcopolymeren hebben de mogelijkheid om zichzelf assembleren tot nanostructuren besteld en kan worden toegepast als sjablonen voor de bereiding van goed geordende metalen nanofoams. Hier beschrijven we de toepassing van een blok-copolymeer op basis van supramoleculaire complex – polystyreen-block-poly (4-vinylpyridine) (pentadecylfenol) PS-b-P4VP (PDP) – als een voorloper voor goed geordende nikkel nanofoam. De supramoleculaire complexen vertonen een fasegedrag vergelijkbaar met conventionele blokcopolymeren en kunnen zichzelf assembleren tot de bicontinue gyroid morfologie with twee PS netwerken in een P4VP (PDP) matrix. PDP kan worden opgelost in ethanol leidt tot de vorming van een poreuze structuur die kan worden opgevuld met metaal. Met stroomloos plateren techniek, nikkel worden ingebracht in kanalen van de sjabloon. Tenslotte kan het resterende polymeer via pyrolyse van het polymeer / anorganische nanohybride waardoor nanoporeuze nikkel schuim met inverse gyroid morfologie verwijderd.
Introduction
Er zijn verschillende technieken beschikbaar voor de bereiding van metalen nanofoams: dealloying 1-3, sol-gel benadert 4,5, nanosmelting 6,7, en verbranding synthese 8. In het dealloying proces het uitgangsmateriaal is meestal een binaire legering, bijvoorbeeld een legering van zilver en goud. Hoe minder edelmetaal zilver in dit geval kunnen ofwel chemisch of elektrochemisch resulteert in een ongeordende poreuze gouden schuim met nanogrootte ligamenten worden verwijderd. Bij verbranding synthese, metaal is gemengd met een energieke voorloper die energie vrijkomt tijdens de afbraak en drijft de vorming van metaal nanofoam 8. Studies naar het mechanisch gedrag van metaalschuim blijkt dat in ongeordende architecturen spanningen niet effectief de algehele macroschaal 9-11 verzonden van het ligament nanoschaal. Aldus geordende metalen nanofoams verwacht superieure mechanische eigenschappen in vergelijking met dewanordelijke degenen.
Het idee is hier vertegenwoordigd is om blokcopolymeren die zichzelf assembleren tot besteld nanostructuren als voorlopers van metalen nanofoams dienst. Afhankelijk van de samenstelling van een blokcopolymeer, het totale aantal monomeereenheden en de mate van afstoting tussen de chemisch verbonden blokken, verschillende morfologieën weergegeven zoals: bolvormig, cilindrisch, lamellaire, dubbele gyroid, hexagonaal geperforeerd lamellaire en anderen 12-14 . Bovendien kan polymeerblokken selectief afgebroken waardoor nanoporeuze materialen 15. De meest voorkomende methoden zijn: ozonolyse 16-18, UV-straling 19, reactief ion etsen 20-22, 23-26 en ontbinding. De gegenereerde poreuze structuren kunnen worden opgevuld met diverse anorganische materialen. Metaaloxiden (bijvoorbeeld SiO2, TiO2) gewoonlijk ingebracht via sol-gel methode in de sjabloon kanalen 27-29. Electrochemical en stroomloos bekleden worden vaak gebruikt om metalen te storten in of op sjablonen 30-33. Tenslotte kan het resterende polymeer uit het polymeer / anorganische nanohybride via pyrolyse 2, ontbinding 34,35, 28,29 UV degradatie, enz. worden verwijderd
In onze aanpak gaan we uit van een supramoleculaire complex van polystyreen-blok-poly (4-vinylpyridine) (PS-b-P4VP) diblokcopolymeer en amfifiele pentadecylfenol (PDP) moleculen. Dit complex is een gevolg van de waterstofbinding tussen PDP en pyridine ringen (figuur 1a). De samenstelling van de uitgangsmaterialen blokcopolymeer en de hoeveelheid toegevoegd PDP worden gekozen zodanig dat de verkregen systeem zelf-assembleert de bicontinue dubbele gyroid morfologie met een PS-netwerk en een P4VP (PDP) matrix (Figuur 1b). PDP moleculen selectief opgelost in ethanol en P4VP ketens instorting op het PS-netwerk (Figuur 1c). Vervolgens gebruikt stroomloos plateren werkwijze nikkel afgezet in de poriën van de template (Figuur 1d). Na het verwijderen van de resterende polymeer via pyrolyse, is een goed geordende gyroid nikkel nanofoam verkregen (Figuur 1e).
Protocol
Representative Results
Discussion
Supramoleculaire complexen worden met succes toegepast voor het vervaardigen van goed geordende metalen nanofoams. In deze werkwijze, de cruciale stap de juiste template verkrijgen, namelijk een sjabloon met gyroid morfologie. In het fasediagram van blokcopolymeren de gyroid gebied is zeer klein en het is nogal moeilijk te richten. Dit betekent dat als conventionele blokcopolymeren worden gebruikt als uitgangsmaterialen de zeer uitgebreide synthese te herhalen totdat het gewenste samenstelling die aanleiding ge…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij erkennen financiële steun van het Zernike Institute for Advanced Materials van de Rijksuniversiteit 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 |
References
- 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).
