JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chemistry

Gyroid النيكل النانو من Diblock كوبوليمر Supramolecules

Published: April 28, 2014
doi:
10.3791/50673
, , , , , ,
1Department of Polymer Chemistry, Zernike Institute for Advanced Materials,University of Groningen, 2Materials Science, Zernike Institute for Advanced Materials,University of Groningen, 3ICTM – Center for Catalysis and Chemical Engineering

Summary

توضح هذه المقالة إعداد nanofoams النيكل أمر جيد للكهرباء عن طريق ترسب المعادن على القوالب نانوية مسامية تم الحصول عليها من supramolecules استنادا الذاتي تجميعها من البوليمرات diblock.

Abstract

الرغاوي معدنية نانوية مسامية تمتلك مزيجا فريدا من الخصائص – فهي نشطة حفاز، حراريا وموصل بالكهرباء، وعلاوة على ذلك، يكون المسامية العالية، وارتفاع نسبة السطح إلى الحجم والقوة إلى الوزن. للأسف، نهج مشتركة لإعداد النانو المعدنية تقديم المواد مع الهندسة المعمارية المختلين للغاية، والتي قد يكون لها تأثير سلبي على خصائصها الميكانيكية. بوليمرات كتلة لديها القدرة على تجميع الذاتي في أمر النانو ويمكن تطبيقها كقوالب لإعداد nanofoams معدنية أمر جيد. نحن هنا وصف تطبيق مجمع كتلة القائمة على مجموعة من البوليمرات supramolecular – البوليسترين كتلة بولي (4 vinylpyridine) (pentadecylphenol) PS-B-P4VP (PDP) – تمهيدا لأمر جيد رغوة النانوية النيكل. المجمعات supramolecular يحمل السلوك مرحلة مماثلة لبوليمرات كتلة التقليدية، ويمكن تجميع الذاتي في bicontinuous gyroid التشكل الطرافةح شبكتين PS ضعت في P4VP (PDP) المصفوفة. PDP يمكن حله في الإيثانول مما يؤدي إلى تشكيل بنية مسامية التي يمكن ردم مع المعدن. باستخدام تقنية الطلاء للكهرباء، يمكن إدراج النيكل إلى قنوات القالب. أخيرا، يمكن إزالة البوليمر المتبقية عن طريق الانحلال الحراري من البوليمر / nanohybrid غير العضوية مما أدى إلى نانوية مسامية رغوة النيكل مع التشكل gyroid العكسية.

Introduction

هناك العديد من التقنيات المتاحة لإعداد nanofoams المعادن: dealloying 1-3، النهج سول جل 4،5، 6،7 nanosmelting، والتوليف الاحتراق 8. في عملية dealloying، والمواد ابتداء وعادة ما يكون سبيكة ثنائي، على سبيل المثال، سبيكة من الفضة والذهب. المعدن أقل نبلا والفضة في هذه الحالة، يمكن إزالتها إما كيميائيا أو electrochemically مما أدى إلى المختلين رغوة الذهب التي يسهل اختراقها مع الأربطة nanosized. في التوليف الاحتراق، والمعادن غير مختلطة مع السلائف حيوية التي تطلق الطاقة خلال التحلل ويدفع تشكيل الرغوة النانوية المعدنية 8. وتشير الدراسات على السلوك الميكانيكي للرغاوي المعدنية التي في أبنية المختلين الضغوط لا يمكن أن تنتقل على نحو فعال من المقياس النانوي الرباط إلى macroscale عموما 9-11. وهكذا يتوقع أن لها خصائص ميكانيكية متفوقة بالمقارنة مع nanofoams معدنية أمر جيدتلك المختلين.

فكرة الممثلة هنا هو استخدام بوليمرات كتلة التي تجمع الذاتي في النانو كما أمرت السلائف إلى nanofoams المعادن. اعتمادا على تكوين كتلة كوبوليمر، فإن العدد الإجمالي من وحدات مونومر ومدى التنافر بين الكتل متصل كيميائيا، تظهر مختلف الأشكال التضاريسية مثل: كروية، أسطواني، رقائقي، gyroid مزدوجة، رقائقي مثقب سداسي، وغيرهم 12-14 . وعلاوة على ذلك، وكتل البوليمر يمكن أن يتحلل بشكل انتقائي مما أدى إلى مواد نانوية مسامية 15. وتشمل الأساليب الأكثر شيوعا: ozonolysis 16-18، أشعة فوق البنفسجية 19، رد الفعل ايون النقش 20-22، 23-26 وانحلال. يمكن ردم الهياكل التي يسهل اختراقها ولدت مع مختلف المواد غير العضوية. عادة ما يتم تقديمها أكاسيد المعادن (مثل شافي 2، تيو 2) عن طريق وسيلة سول جل في قنوات القالب 27-29. شوتستخدم الطلاء ectrochemical وللكهرباء عادة لإيداع المعادن في أو على القوالب 30-33. أخيرا، يمكن إزالة البوليمر المتبقية من البوليمر / nanohybrid غير العضوية عن طريق الانحلال الحراري 2، حل 34،35، 28،29 تدهور للأشعة فوق البنفسجية، الخ

في نهجنا، ونحن نبدأ من مجمع supramolecular من البوليسترين-كتلة بولي (4 vinylpyridine) (PS-B-P4VP) كوبوليمر diblock وpentadecylphenol amphiphilic (PDP) الجزيئات. هذا المجمع هو نتيجة من الرابطة الهيدروجينية بين PDP وحلقات البيريدين (الشكل 1A). يتم اختيار تركيبة انطلاق كتلة كوبوليمر وكمية أضاف PDP في مثل هذه الطريقة التي حصلت على نظام تجميع الذاتي في التشكل gyroid مزدوجة bicontinuous مع شبكة PS وP4VP (PDP) مصفوفة (الشكل 1B). تصبح جزيئات المذاب PDP انتقائي في الإيثانول وP4VP سلاسل انهيار على شبكة PS (الشكل 1C). في وقت لاحق، وذلك باستخدام طريقة الطلاء للكهرباء، وتودع النيكل في المسام من القالب (الشكل 1D). بعد إزالة البوليمر المتبقية عن طريق الانحلال الحراري، يتم الحصول على gyroid النيكل رغوة النانوية أمر جيدا (الشكل 1E).

Protocol

1. إعداد وتوصيف PS-B-P4VP (PDP) مجمعات مع مزدوجة Gyroid الصرف تزن من البوليسترين كتلة بولي (4 vinylpyridine) (PS-B-P4VP) وpentadecylphenol (PDP، M ص = 304.51 جم / مول). من أجل الحصول على التشكل gyroid، تحديد دقيق لكمية PDP ينبغي أن يكون (الكسر…

Representative Results

مورفولوجية مجمعات supramolecular يتم فحص PS-B-P4VP (PDP) × كتبها تيم وSAXS أرقام 2A و 2B عرض أنماط gyroid نموذجية من مجمع supramolecular ممثل: المزدوج موجة وأنماط عربة العجلات التي هي معروفة لتمثيل التوقعات من خلال (211) و(111) طائرة من الخلية وحدة gyroid، على التوالي. المجالات ك?…

Discussion

يتم تطبيقها بنجاح المجمعات Supramolecular كما السلائف لnanofoams معدنية أمر جيد. في هذه الطريقة، فإن الخطوة الحاسمة هي للحصول على القالب المناسب، أي قالب مع التشكل gyroid. في الرسم البياني مرحلة من بوليمرات كتلة المنطقة gyroid صغير جدا وأنه من الصعب بل لاستهداف. هذا يعني أنه إذا ?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

نحن نعترف الدعم المالي من قبل معهد Zernike للمواد المتقدمة، جامعة جرونينجن.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Erlebacher, J., Aziz, M. J., Karma, A., Dimitrov, N., Sieradzki, K. Evolution of nanoporosity in dealloying. Nature. 410, 450-453 (2001).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Tappan, B. C., Steiner, S. A., Luther, E. P. Nanoporous Metal Foams. Angew. Chem. Int. Ed. 49, 4544-4565 (2010).
  6. 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).
  7. Leventis, N., Chandrasekaran, N., Sotiriou-Leventis, C., Mumtaz, A. Smelting in the age of nano: iron aerogels. J. Mater. Chem. 19, 63-65 (2009).
  8. Tappan, B. C., et al. Ultralow-Density Nanostructured Metal Foams: Combustion Synthesis, Morphology, and Composition. J. Am. Chem. Soc. 128, 6589-6594 (2006).
  9. Ashby, M. F., et al. Metal Foams: a Design Guide. Butterworth-Heinemann. , (2000).
  10. Tekoglu, C. Size Effects in Cellular Solids. , (2007).
  11. Amsterdam, E. Structural Performance and Failure Analysis of Aluminium Foams. , (2008).
  12. Bates, F. S., Fredrickson, G. H. Block Copolymer Thermodynamics: Theory and Experiment. Annu. Rev. Phys. Chem. 41, 525-527 (1990).
  13. Hamley, I. W. . The Physics of Block Copolymers. , (1998).
  14. Abetz, V., Simon, P. . Advances in Polymer Science. , (2005).
  15. Hillmyer, M. A. Nanoporous Materials from Block Copolymer Precursors. Adv. Polym. Sci. 190, 137-181 (2005).
  16. 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).
  17. Hashimoto, T., Tsutsumi, K., Funaki, Y. Nanoprocessing Based on Bicontinuous Microdomains of Block Copolymers: Nanochannels Coated with Metals. Langmuir. 13, 6869-6872 (1997).
  18. 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).
  19. Thurn-Albrecht, T., et al. Nanoscopic Templates from Oriented Block Copolymer Films. Adv. Mater. 12, 787-791 (2000).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Crossland, E. J. W., et al. A Bicontinuous Double Gyroid Hybrid Solar Cell. Nano Lett. 9, 2807-2812 (2008).
  25. Uehara, H., et al. Size-Selective Diffusion in Nanoporous but Flexible Membranes for Glucose Sensors. ACS Nano. 3, 924-932 (2009).
  26. Voet, V. S. D., et al. Poly(vinylidene fluoride)/nickel nanocomposites from semicrystalline block copolymer precursors. Nanoscale. 5, 184-192 (2013).
  27. Brinker, C. J., Scherer, J. W. . Sol-Gel Science: The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing. , (1990).
  28. Hsueh, H. -. Y., et al. Inorganic Gyroid with Exceptionally Low Refractive Index from Block Copolymer Templating. Nano Lett. 10, 4994-5000 (2010).
  29. Hsueh, H. -. Y., Ho, R. -. M. Bicontinuous Ceramics with High Surface Area from Block Copolymer Templates. Langmuir. 28, 8518-8529 (2012).
  30. Riedel, W. . Electroless Nickel Plating. , (1991).
  31. Mallory, G. O., Hajdu, J. B. Electroless Plating: Fundamentals and Applications. American Electroplaters and Surface Finishers Society. , (1992).
  32. Djokić, S. S. . Modern Aspects of Electrochemistry. , (2002).
  33. Djokić, S. S., Cavallotti, P. L. . Modern Aspects of Electrochemistry. , (2010).
  34. 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).
  35. Hsueh, H. Y., et al. Nanoporous Gyroid Nickel from Block Copolymer Templates via Electroless Plating. Adv. Mater. 23, 3041-3046 (2011).
  36. Vukovic, I., et al. Supramolecular Route to Well-Ordered Metal Nanofoams. ACS Nano. 5, 6339-6348 (2011).
  37. Mao, H., Hillmyer, M. A. Macroscopic samples of polystyrene with ordered three-dimensional nanochannels. Soft Matter. 2, 57-59 (2006).
  38. 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).
  39. 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).
  40. Tyler, C. A., Morse, D. C. Orthorhombic Fddd network in triblock and diblock copolymer melts. Phys. Rev. Lett. 94, 208-302 (2005).
  41. Ranjan, A., Morse, D. C. Landau theory of the orthorhombic Fddd phase. Phys. Rev. E. 74, 011803 (2006).
  42. Kim, M. I., et al. Stability of the Fddd Phase in Diblock Copolymer Melts. Macromolecules. 41, 7667-7670 (2008).

Tags

GyroidNickelNanostructuresDiblock CopolymerSupramoleculesNanoporous Metal FoamsCatalytic ActivityElectrical ConductivitySelf-assemblyBlock CopolymersPS-b-P4VP(PDP)Inverse Gyroid MorphologyElectroless PlatingPyrolysis
check_url/50673?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Vukovic, I., Punzhin, S., Voet, V. S. D., Vukovic, Z., de Hosson, J. T. M., ten Brinke, G., Loos, K. Gyroid Nickel Nanostructures from Diblock Copolymer Supramolecules. J. Vis. Exp. (86), e50673, doi:10.3791/50673 (2014).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image