Gyroid Никель Наноструктуры из диблоксополимера супрамолекул
Summary
Эта статья описывает приготовление вполне упорядоченных никеля nanofoams через осаждения химическим металла на нанопористых шаблонов, полученных из супрамолекул основе самоорганизующихся диблоксополимера.
Abstract
Нанопористые металлические пены обладают уникальным сочетанием свойств – они каталитически активный, термически и электропроводящий, и, кроме того, имеют высокую пористость, высокий коэффициент поверхности к объему и прочности к весу. К сожалению, общие подходы к подготовке металлических наноструктур оказать материалов с высокой неупорядоченной архитектуры, которые могут оказать негативное влияние на их механические свойства. Блок-сополимеры имеют возможность самостоятельно собираться в упорядоченных наноструктур и может быть применен в качестве шаблонов для подготовки вполне упорядоченных металлических nanofoams. Здесь мы опишем применение блок-сополимер на основе супрамолекулярной комплекса – полистирол-блок-поли (4-винилпиридина) (pentadecylphenol) ПС-б-P4VP (PDP) – в качестве прекурсора для благоустроенном никеля нанопены. Супрамолекулярной комплексы проявляют поведение фазы, похожий на обычные блок-сополимеров и может самостоятельно собираться в биконтинуальной gyroid морфологии остроумияч два PS сети, помещенные в P4VP (PDP) матрицы. PDP может быть растворен в этаноле приводит к образованию пористой структуры, которые могут быть заполняют металла. Использование неэлектролитического технику металлизации, никель может быть вставлен в каналах шаблона. Наконец, оставшийся полимер может быть удален с помощью пиролиза из неорганического полимера / nanohybrid в результате чего нанопористого пеноникеля с обратной gyroid морфологии.
Introduction
Есть несколько методов, доступных для подготовки металлических nanofoams: dealloying 1-3, золь-гель подходы 4,5, nanosmelting 6,7, и синтез сгорания 8. В процессе dealloying исходный материал обычно бинарного сплава, например, сплав серебра и золота. Менее благородный металл, серебро в данном случае, могут быть удалены либо химически, либо электрохимически полученный в неупорядоченной пористой пены с золотым наноразмерных связок. В синтезе сгорания, металл смешивают с энергичным предшественника, который высвобождает энергию во время его разложения и приводит в образованию металлической нанопены 8. Исследования механического поведения металлических пен показывают, что в неупорядоченных архитектур напряжения не может быть передана эффективно с наноуровне связки с общей макроуровне 9-11. Таким образом хорошо упорядоченные металлические nanofoams должны иметь превосходные механические свойства по сравнению снеупорядоченных те.
Идея представлены здесь является использование блок-сополимеры, которые самоорганизуются в упорядоченные наноструктуры в качестве предшественников металлических nanofoams. В зависимости от состава блок-сополимера, от общего количества мономерных звеньев и степени отталкивания между химически соединенных между собой блоков, различные морфологии появляются, такие как: сферической, цилиндрической, пластинчатые, двойной gyroid, шестиугольной перфорированной пластинчатые и другие 12-14 . Кроме того, полимерные блоки может снизиться выборочно приводит к нанопористых материалов 15. Наиболее распространенные методы включают в себя: озонолиза 16-18, УФ-излучения 19, реактивного ионного травления 20-22, и растворение 23-26. Сформированные пористые структуры могут быть засыпаны с различными неорганическими материалами. Оксиды металлов (например, SiO 2, TiO 2), как правило, вводят через золь-гель методом в каналы шаблона 27-29. Эльectrochemical и нанесения покрытия методом химического обычно используются для нанесения металла в или на шаблонах 30-33. Наконец, оставшийся полимер может быть удален из неорганического полимера / nanohybrid через пиролиза 2, растворение 34,35, 28,29 УФ деградации, и т.д.
В нашем подходе мы начинаем с супрамолекулярной комплекса полистирол-блок-поли (4-винилпиридина) (ПС-б-P4VP) диблоксополимера и Амфифильный pentadecylphenol (PDP) молекулы. Этот комплекс является результатом водородных связей между НДП и пиридиновых колец (рис. 1а). Состав блок-сополимера отправной и количество добавленного PDP выбраны таким образом, что полученная система самосборки в биконтинуальной двойной gyroid морфологии с сетью PS и P4VP (PDP) матрицы (рис. 1b). Молекулы PDP становятся избирательно растворяют в этаноле и P4VP цепей распада в сеть PS (Рисунок 1в). Затем, используя метод неэлектрического обшивки, никель осаждается в порах матрицы (фигура 1d). После удаления оставшегося полимера через пиролиза, вполне упорядоченное gyroid никель нанопены получается (рис. 1д).
Protocol
Representative Results
Discussion
Супрамолекулярные комплексы успешно применяются в качестве прекурсоров для вполне упорядоченных металлических nanofoams. В этом методе, важным шагом является получение соответствующего шаблона, то есть шаблон с gyroid морфологии. На фазовой диаграмме блок-сополимеров gyroid область очен?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы признаем, финансовую поддержку в Цернике института перспективных материалов, Университета Гронингена.
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).
