Syntese og Eksfoliering af Discotic Zirconium Fosfater fås Kolloid Flydende Krystaller
Summary
A two dimensional model material of discotic zirconium phosphate was developed. The inorganic crystal with lamellar structure was synthesized by hydrothermal, reflux, and microwave-assisted methods. On exfoliation with organic molecules, layered crystals can be converted to monolayers, and nematic liquid crystal phase was formed at sufficient concentration of monolayers.
Abstract
Due to their abundance in natural clay and potential applications in advanced materials, discotic nanoparticles are of interest to scientists and engineers. Growth of such anisotropic nanocrystals through a simple chemical method is a challenging task. In this study, we fabricate discotic nanodisks of zirconium phosphate [Zr(HPO4)2·H2O] as a model material using hydrothermal, reflux and microwave-assisted methods. Growth of crystals is controlled by duration time, temperature, and concentration of reacting species. The novelty of the adopted methods is that discotic crystals of size ranging from hundred nanometers to few micrometers can be obtained while keeping the polydispersity well within control. The layered discotic crystals are converted to monolayers by exfoliation with tetra-(n)-butyl ammonium hydroxide [(C4H9)4NOH, TBAOH]. Exfoliated disks show isotropic and nematic liquid crystal phases. Size and polydispersity of disk suspensions is highly important in deciding their phase behavior.
Introduction
Discotic kolloider er naturligt forekommende i form af ler, asfalten, røde blodlegemer, og Nacre. En vifte af applikationer i mange konstruerede systemer, herunder polymer nanokompositter 1, biomimetiske materialer, funktionelle membraner 2, discotic flydende krystal studier 3 og Pickering emulsionsstabilisatorer 4 er udviklet på baggrund af discotic kolloid nanodisks. Nanodisks med ensartethed og lav polydispersitet er vigtig for at studere faser og transformationer af flydende krystaller. Zirconium fosfat (ZrP) er en syntetisk nanodisks med velordnet lagdelt struktur og kontrollerbar billedformat (tykkelse løbet diameter). Derfor udforskning af forskellige syntese af ZrP hjælper med at etablere grundlæggende forståelse af discotic flydende krystal-system.
Strukturen af ZrP blev belyst ved Clearfield og Stynes i 1964 5. Til syntese af lagdelte krystaller af ZrP, hydrotermisk ogreflux metoder er almindeligt vedtaget 6,7. Hydrotermisk metode giver en god kontrol af størrelse i området fra 400 til 1.500 nm og polydispersitet inden 25% 6 under tilbagesvaling metode giver mindre krystaller for samme tidsrum tid. Mikrobølgeopvarmning har vist sig at være en lovende metode til syntese af nanomaterialer 8. Der er imidlertid ingen papirer beskriver syntese af ZrP baseret på mikrobølgeassisteret rute. Den effektive kontrol over størrelse, aspect ratio, og mekanismen af krystal vækst ved hydrotermisk metode blev systematisk undersøgt af vores gruppe 6.
ZrP kan nemt ekspanderet i monolag i vandige suspensioner, og den afstødes ZrP er blevet veletablerede som flydende krystal materialer i Cheng gruppe 3,9-13. Hidtil afstødes ZrP nanodisks med forskellige diametre, siger forskellige billedformater, er blevet undersøgt for at konkludere, at større ZrP havde I (isotrope) -N (nematisk) overgang ved lavere concentration i forhold til mindre ZrP 3. De polydispersitet 3, salt 9 og temperatur 10,11 virkninger på dannelsen af nematiske fase flydende krystal er blevet også overvejet. Desuden andre faser, såsom Sematic fase flydende krystal, er blevet undersøgt såvel 13,14.
I denne artikel demonstrerer vi eksperimentel realisering af et sådant kolloid ZrP nanodisks suspension. Lagdelte ZrP krystaller syntetiseres via forskellige metoder, og derefter afstødes i vandige medier for at opnå monolag nanodisks. I slutningen viser vi overgange flydende krystal fase udstillet af dette system. Et bemærkelsesværdigt aspekt ved disse diske er deres yderst anisotropisk karakter, at forholdet vægtykkelse diameter er i området fra 0,0007 til 0,05 afhængigt af størrelsen af skiverne 3. De meget anisotrope monolag nanodisks etablere et modelsystem til at studere faseovergange i suspensioner af nanodisks.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tilbagesvalingstemperaturen metode er en god mulighed for at gøre en mindre størrelse af α-ZrP med en ensartet diameter og tykkelse. Svarende til den hydrotermiske fremgangsmåde tilbagesvalingstemperaturen metode begrænset af forberedelsestid. Generelt tager det længere tid for krystallerne til at vokse.
Jo længere reaktionstid, der kræves til tilbagesvaling metode kan resultere i nanodisks med en større størrelse. Den gennemsnitlige størrelse af eksfolierede nanodisks måles ved …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work is partially supported by NSF (DMR-1006870) and NASA (NASA-NNX13AQ60G). X. Z. Wang acknowledges support from the Mary Kay O’Connor Process Safety Center (MKOPSC) at Texas A&M University. We also thank Min Shuai for her guidance.
Materials
| Material | |||
| Zirconyl Chloride Octahydrate | Fischer Scientific (Acros Organics) | AC20837-5000 | 98% + |
| o-Phosphoric Acid | Fischer Scientific | A242-1 | >= 85 % |
| Tetra Butyl Ammonium Hydroxide | Acros Organics (Acros Organics) | AC176610025 | 40% wt. (1.5M) |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment | |||
| Reaction Oven | Fischer Scientific | CL2 centrifuge | Isotemperature Oven (Temperature Upto 350 C) |
| Centrifuge | Thermo Scientific | Not Available | Rotation Speed : 100 – 4000 rpm |
| Microwave Reactor | CEM Corporation | Discover and Explorer SP | Temp. Upto 300oC, Power upto 300W, Pressure upto 30bar |
References
- Usuki, A., Hasegawa, N., Kato, M. Polymer-clay nanocomposites. Adv Polym. 179, 135-195 (2005).
- Varoon, K., et al. Dispersible Exfoliated Zeolite Nanosheets and Their Application as a Selective Membrane. Science. 334, 72-75 (2011).
- Mejia, A. F., et al. Aspect ratio and polydispersity dependence of isotropic-nematic transition in discotic suspensions. Phys. Rev. E. 85, 061708 (2012).
- Bon, S. A. F., Colver, P. J. Pickering miniemulsion polymerization using Laponite clay as a stabilizer. Langmuir. 23, 8316-8322 (2007).
- Clearfield, A., Stynes, J. A. The preparation of crystalline zirconium phosphate and some observations on its ion exchange behaviour. J. Inorg. Nucl. Chem. 26, 117-129 (1964).
- Shuai, M., Mejia, A. F., Chang, Y. W., Cheng, Z. Hydrothermal synthesis of layered alpha-zirconium phosphate disks: control of aspect ratio and polydispersity for nano-architecture. Crystengcomm. 15, 1970-1977 (2013).
- Sun, L., Boo, W. J., Sue, H. -. J., Clearfield, A. Preparation of α-zirconium phosphate nanoplatelets with wide variations in aspect ratios. New J. Chem. 31, 39-43 (2007).
- Gawande, M. B., Shelke, S. N., Zboril, R., Varma, R. S. Microwave-sssisted chemistry: synthetic applications for rapid assembly of nanomaterials and organics. Accounts Chem. Res. 47, 1338-1348 (2014).
- Chang, Y. -. W., Mejia, A. F., Cheng, Z., Di, X., McKenna, G. B. Gelation via Ion Exchange in Discotic Suspensions. Phys. Rev. Lett. 108, 247802 (2012).
- Wang, X., et al. Thermo-sensitive discotic colloidal liquid crystals. Soft Matter. 10, 7692-7695 (2014).
- Li, H., Wang, X., Chen, Y., Cheng, Z. Temperature-dependent isotropic-to-nematic of charged nanoplates. Phys. Rev. E. 90, 020504 (2014).
- Chen, M., et al. Observation of isotropic-isotropic demixing in colloidal platelet-sphere mixtures. Soft Matter. 11 (28), 5775-5779 (2015).
- Sun, D., Sue, H. -. J., Cheng, Z., Martinez-Raton, Y., Velasco, E. Stable smectic phase in suspensions of polydisperse colloidal platelets with identical thickness. Phys. Rev. E. 80, 041704 (2009).
- Wong, M., et al. Large-scale self-assembled zirconium phosphate smectic layers via a simple spray-coating process. Nat. Commun. 5, 3589 (2014).
- Diaz, A., et al. Zirconium phosphate nano-platelets: a novel platform for drug delivery in cancer therapy. Chem. Commun. 48, 1754-1756 (2012).
- Kim, H. -. N., Keller, S. W., Mallouk, T. E., Schmitt, J., Decher, G. Characterization of zirconium phosphate/polycation thin films grown by sequential adsorption reactions. Chem. Mater. 9, 1414-1421 (1997).
