Gyroid Nickel nanostrukturer från disegmentsampolymer Supramolecules
Summary
Denna artikel beskriver beredningen av välordnade nickel nanofoams via strömlös metallbeläggning på nanoporösa mallar som erhållits från egna sammansatta disegmentsampolymeren baserade supramolecules.
Abstract
Nanoporösa metallskum har en unik kombination av egenskaper – de är katalytiskt aktiva, termiskt och elektriskt ledande, och dessutom har hög porositet, hög yta till volym och styrka-vikt-förhållande. Tyvärr, gemensamma strategier för framställning av metalliska nanostrukturer gör material med mycket oordnad arkitektur, vilket skulle kunna ha en negativ effekt på deras mekaniska egenskaper. Segmentsampolymerer har förmågan att själv montera in beställda nanostrukturer och kan användas som mallar för beredning av välordnade metall nanofoams. Här beskriver vi tillämpningen av en segmentsampolymer baserad suprakomplex – polystyren block-poly (4-vinylpyridin) (pentadecylfenol) PS-b-P4VP (PDP) – som en föregångare för välordnad nickel nanofoam. De supramolekylära komplex uppvisar en fas beteende liknar konventionella segmentsampolymerer och kan själv montera in den bikontinuerliga gyroid morfologi kvickheth två PS-nät som placeras i en P4VP (PDP) matris. PDP kan upplösas i etanol vilket leder till bildning av en porös struktur som kan återfyllas med metall. Använda elektrofri plätering teknik kan nickel insättas i mallens kanaler. Slutligen kan den återstående polymeren avlägsnas via pyrolys från polymeren / oorganisk nanohybrid vilket resulterar i nanoporösa nickelskum med invers gyroid morfologi.
Introduction
Det finns flera tekniker som används för beredning av metall nanofoams: dealloying 1-3, närmar sig sol-gel 4,5, nanosmelting 6,7, och förbränningssyntes 8. I dealloying förfarande är utgångsmaterialet vanligtvis en binär legering, till exempel, en legering av silver och guld. Ju mindre ädel metall, silver i detta fall kan avlägsnas antingen kemiskt eller elektrokemiskt vilket resulterar i ett oordnat poröst guld skum med nanostorlek ligament. I förbränningssyntes, är metall blandas med en energisk gångare som frigör energi under dess nedbrytning och driver bildandet av metall nanofoam 8. Studier av det mekaniska beteendet hos metallskum visar att i oordnade arkitekturer spänningar inte kan överföras effektivt från ligament nanoskala till den övergripande makroskala 9-11. Således välordnade metall nanofoams förväntas ha överlägsna mekaniska egenskaper i jämförelse medoordnade sådana.
Tanken representerade här är att anställa blocksampolymerer att själv montera in beställda nanostrukturer som föregångare till metall nanofoams. Beroende på sammansättningen av en segmentsampolymer, det totala antalet monomerenheter och omfattningen av repulsion mellan de kemiskt sammankopplade block, olika morfologier visas såsom sfäriska, cylindriska, lamellära dubbel gyroid, hexagonalt perforerad lamellär, och andra 12-14 . Dessutom kan polymerblock degraderas selektivt leder till nanoporösa material 15. De vanligaste metoderna är: ozonolys 16-18, UV-strålning 19, reaktiv jon etsning 20-22, och upplösningen 23-26. De alstrade porösa strukturer kan återfyllas med olika oorganiska material. Metalloxider (t.ex. SiO 2, TiO 2) vanligen in via sol-gel-metoden i mallens kanalerna 27-29. Electrochemical och strömlös plätering används vanligen för att avsätta metall i eller på mallar 30-33. Slutligen kan den återstående polymeren avlägsnas från polymeren / oorganiska nanohybrid via pyrolys 2, upplösning 34,35, UV-nedbrytning 28,29 mm
I vår strategi, vi börjar från en supra komplex av polystyren-blocket-poly (4-vinylpyridin) (PS-b-P4VP) diblocksampolymer och amfifila pentadecylfenol (PDP) molekyler. Detta komplex är ett resultat av vätebindning mellan PDP och pyridinringar (Figur 1A). Sammansättningen av utgångs segmentsampolymeren och mängden tillsatt PDP väljs på ett sådant sätt att de erhållna systemets själv monterar i bikontinuerliga dubbel gyroid morfologi med ett PS-nätverk och en P4VP (PDP) matris (figur 1b). PDP-molekyler blir selektivt upp i etanol och P4VP kedjorna kollapsar på PS-nätverket (Figur 1c). Därefter, med användning av elektrofri plätering metod nickel deponeras i porerna i mallen (fig. 1d). Efter avlägsnandet av den återstående polymeren via pyrolys, är en välordnad gyroid nickel nanofoam erhölls (Figur 1e).
Protocol
Representative Results
Discussion
Supramolekylära komplex framgång tillämpas som prekursorer för välordnade metall nanofoams. I denna metod är det avgörande steget att skaffa lämplig mall, dvs en mall med gyroid morfologi. I fasdiagrammet av segmentsampolymerer den gyroid regionen är mycket liten och det är ganska svårt att rikta. Detta innebär att om konventionella segmentsampolymerer används som utgångsmaterial, har de helt genomarbetade syntes måste upprepas tills den önskade kompositionen, som ger upphov till den gyroid morf…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi erkänner ekonomiskt stöd från Zernike Institutet för avancerade material, 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 |
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).
