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

Buradaki iki bloklu kopolimer Supramolecules ikinci Gyroid Nikel Nanoyapılar

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

Bu makalede, kendi kendine bir araya iki bloklu kopolimer esaslı supramolecules elde edilen nano gözenekli şablon üzerine akımsız metal kaplama ile de sıralı nikel nanofoams hazırlanmasını tarif etmektedir.

Abstract

Nanoporous metal köpükler, benzersiz bir özellikler kombinasyonuna sahip olan – bunlar, termal ve elektriksel olarak iletken, katalitik olarak aktif olan ve bundan başka, yüksek gözeneklilik ve yüksek bir yüzey-hacim-ve ağırlık-ağırlık oranına sahiptir. Ne yazık ki, metalik Nano hazırlanması için genel yaklaşımlar, mekanik özellikleri üzerinde olumsuz bir etkiye sahip olabilir son derece bozuk mimari malzeme ile işlenir. Blok kopolimerleri sipariş Nano halinde kendi kendine birleşebilen yeteneğine sahip ve iyi sıralı metal nanofoams hazırlanması için şablon olarak uygulanabilir. Burada bir blok kopolimer-esaslı supramoleküler kompleksinin uygulamasını tarif – polistiren-blok-poli (4-vinilpiridin) (pentadesilfenol) PS-b-P4VP (PDP) – iyi sıralı nikel nanofoam için bir ön-madde olarak. Supramoleküler kompleksleri geleneksel blok kopolimerleri benzer bir faz davranışı sergiler ve iki-sürekli olmakta gyroid morfolojisi wit halinde kendi kendine birleşebilen olabilirBir P4VP (PDP) matris içinde yerleştirilmiş iki saat PS ağlar. PDP metal ile geri dolduruldu edilebilir gözenekli bir yapının oluşumuna yol açan, etanol içinde çözündürülebilir. Elektriksiz kaplama tekniği kullanılarak, nikel şablonunun kanal içine sokulabilir. Son olarak, kalan polimer ters gyroid morfolojisi olan nano gözenekli nikel bir köpük olarak elde edilen polimer / inorganik nanohibrit ikinci piroliz yolu ile uzaklaştırılabilir.

Introduction

Metal nanofoams hazırlanması için mevcut çeşitli teknikler vardır: 1-3 Bozunumu, sol-jel, 6,7 nanosmelting, 4,5 yaklaşımları ve yanma sentezi 8. Bozunumu işleminde, başlangıç ​​malzemesi, genellikle, örneğin bir ikili alaşım, gümüş ve altın bir alaşımdır. Daha az soy metal, bu durumda, gümüş, ya kimyasal ya da elektro-kimyasal bağ ile nano boyutlu bir düzensiz altın gözenekli bir köpük elde kaldırılabilir. Yanma sentezde, metal ile ayrışma sırasında enerjiyi serbest bırakır ve metal nanofoam 8 oluşumunu tahrik enerjik bir öncüsü ile karıştırılır. Metal köpüklerin mekanik davranışı ile ilgili çalışmalar düzensiz mimarilerinde gerilmeler genel makro-9-11 bağ nano itibaren etkili bir şekilde iletilmesini edilemez olduğunu göstermektedir. Böylece iyi sıralı metal nanofoams ile karşılaştırıldığında, üstün mekanik özelliklere sahip olmaları beklenmektedirdüzensiz olanlar.

Burada temsil Fikir metal nanofoams için ön-maddeler olarak sipariş Nano halinde kendi kendine birleşebilen blok kopolimerleri kullanmaktır. Küresel, silindirik, ince tabakalı, çift gyroid, altıgen delikli lameller, ve diğerleri 12-14: bir blok kopolimer, monomer birimlerinin toplam sayısı ve kimyasal olarak bağlı olan bloklar arasındaki itme ölçüde bileşimine bağlı olarak, çeşitli morfolojileri gibi görünür . Bundan başka, polimer blokları nano gözenekli malzeme 15 yol seçici olarak parçalanabilir. En yaygın yöntemler şunlardır: ozon ayrışımını 16-18, UV ışınlaması 19, reaktif iyon aşındırma 20-22, 23-26 ve çözünme. Oluşturulan gözenekli yapılar, çeşitli inorganik malzemeler ile geri dolduruldu edilebilir. Metal oksitler (örneğin, SiO 2, TiO 2), genellikle şablonunun kanal içine 27-29, sol-jel yöntemi ile tanıtılmaktadır. Electrochemical ve elektriksiz kaplama genellikle 30-33 içine veya şablonlar üzerine metal yatırmak için kullanılır. Son olarak, kalan polimer vb piroliz 2, çözünme 34,35, 28,29 UV bozulması vasıtasıyla polimer / inorganik nanohibrit kaldırılabilir

Bizim bir yaklaşım olarak, polistiren-blok-poli (4-vinilpiridin) bir supramoleküler kompleksi (PS-b-P4VP) iki bloklu kopolimer ve amfifilik pentadesilfenol (PDP) molekülleri başlar. Bu kompleks PDP ve piridin halkaları (Şekil 1a) arasındaki hidrojen bağı bir sonucudur. Başlangıç ​​blok kopolimerin bileşimi ve ilave PDP miktarı öyle bir şekilde seçilir ki, bir ağ ve bir PS P4VP (PDP) matris ile, çift süreklilikteki çift gyroid morfolojisinde elde sistemi öz-montaj (Şekil 1b). PDP molekülleri seçici PS ağı (üzerine etanol ve P4VP zincirleri çöküşü çözülmüş olurŞekil 1c). Daha sonra, elektriksiz kaplama yöntemi kullanılarak, nikel şablon (Şekil 1d) gözenekleri içine yatırılır. Piroliz yoluyla geri kalan polimerin çıkarılmasından sonra, iyi düzenlenmiş bir gyroid nikel nanofoam (Şekil 1e) elde edilir.

Protocol

Çift Gyroid Morfoloji 1. Hazırlanması ve PS-b-P4VP karakterizasyonu (PDP) Kompleksleri Tartılır polistiren-blok-poli (4-vinilpiridin) (PS-b-P4VP) ve pentadesilfenol (PDP, E r = 304,51 g / mol.) Olmalıdır gyroid morfolojisi elde etmek için dikkatlice PDP miktarını seçmek ((P4VP (PDP) f) ca olmalıdır P4VP (PDP) bloğun ağırlık fraksiyonu. 0,6 doğrusal AB diblok kopolimerlerin faz diyagramına göre). Genellikle, PS-b-P4VP</e…

Representative Results

. Supramoleküler komplekslerinin morfolojisi PS-b-P4VP (PDP) x TEM ve SAXS Şekil 2a tarafından incelenir ve bir temsilcisi supramoleküler kompleksinin tipik gyroid modellerini görüntülemek 2b: çift dalga ve temsil bilinmektedir vagon teker desenleri (211) üzerinden ve çıkıntılar sırasıyla gyroid birim hücre (111) düzlemi,. P4VP (PDP) x blok etki nedeniyle iyot boyama koyu görünür iken PS blok etki parlak görünür. Şekil 2c dönemsellik it…

Discussion

Supramolecular kompleksleri başarıyla iyi sıralı metal nanofoams öncüleri olarak uygulanır. Bu yöntemde, önemli bir adım gyroid morfolojisi olan bir şablon, yani, uygun şablon elde etmektir. Blok kopolimerlerin faz diyagramında gyroid bölge çok küçüktür ve bu hedef için oldukça zordur. Bu, geleneksel blok kopolimerleri, başlangıç ​​maddeleri olarak kullanıldığında, oldukça ayrıntılı sentez gyroid morfolojiye yol açar, istenen bileşim, ulaşılana kadar tekrar edilmesi anlam…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Biz Advanced Materials için Zernike Enstitüsü, Groningen Üniversitesi tarafından mali destek kabul.

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