Synthese en afschilfering van discotische zirkonium Fosfaten om colloïdale vloeibare kristallen te verkrijgen
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
Discotische colloïden nature overvloedig aanwezig in de vorm van klei, asfalteen, rode bloedcellen en parelmoer. Een waaier van toepassingen in tal van technische systemen, waaronder nanocomposieten 1, biomimetische materialen, functionele membranen 2, discotisch liquid crystal studies 3 en Pickering emulsie stabilisatoren 4 zijn ontwikkeld op basis van discotische colloïdale nanodisks. Nanodisks met uniformiteit en lage polydispersiteit is belangrijk voor het bestuderen fasen en transformaties van vloeibare kristallen. Zirkonium fosfaat (ZRP) is een synthetisch nanodisks met goed geordende gelaagde structuur en controleerbaar aspect ratio (dikte over diameter). Daarom is de exploratie van de verschillende synthese van de Zimbabwaanse politie helpt bij het fundamenteel begrip van discotisch vloeibaar kristal te zetten.
De structuur van ZRP opgehelderd door Clearfield en Stynes in 1964 5. Voor de synthese van gelaagde kristallen van ZRP en hydrothermischereflux werkwijzen worden gewoonlijk vastgesteld 6,7. Hydrothermale werkwijze geeft een goede beheersing van de grootte variërend van 400 tot 1500 nm en polydispersiteit binnen 25% 6, terwijl reflux werkwijze geeft kleine kristallen voor dezelfde tijdsduur. Microgolfverwarming is bewezen een veelbelovende methode voor de synthese van nanomaterialen 8 zijn. Er zijn echter geen documenten beschrijven de synthese van ZRP basis van microgolven route. De effectieve controle over de grootte, de aspect ratio, en het mechanisme van de kristalgroei door hydrothermale methode werd systematisch onderzocht door onze groep 6.
ZRP kunnen gemakkelijk worden geëxpandeerd in monolagen in waterige suspensies en geëxpandeerd ZRP zijn goed gevestigd als vloeibaarkristalmaterialen in Cheng groep 3,9-13. Tot nu toe, geëxpandeerd ZRP nanodisks met verschillende diameters, bijvoorbeeld verschillende aspectverhoudingen, werden onderzocht om te concluderen dat grotere ZRP had I (isotrope) -N (nematische) overgang bij lagere concentratie dan voor kleinere ZRP 3. De polydispersiteit 3, 9 zout en temperatuur 10,11 effecten op de vorming van nematische vloeibare kristalfase zijn ook overwogen. Bovendien, andere fasen, zoals semantische vloeibare kristalfase, zijn eveneens 13,14 onderzocht.
In dit artikel tonen we experimenteel zulke veranderingen colloïdale ZRP nanodisks suspensie. ZRP gelaagde kristallen worden bereid met verschillende methoden, en vervolgens worden geëxpandeerd in waterige media monolaag nanodisks verkrijgen. Eind tonen wij vloeibare kristalfase-overgangen vertoond door dit systeem. Een opmerkelijk aspect van deze schijven is hun zeer anisotroop karakter dat de dikte diameterverhouding in het gebied van 0,0007-0,05 afhankelijk van de grootte van 3 schijven. De zeer anisotrope monolaag nanodisks opzetten van een modelsysteem om fase-overgangen studeren in de suspensies van nanodisks.
Protocol
Representative Results
Discussion
De reflux werkwijze is een goede keuze voor het maken van een kleinere omvang van α-ZRP met een uniforme diameter en dikte. Vergelijkbaar met de hydrothermische werkwijze wordt de reflux werkwijze beperkt door de voorbereidingstijd. Over het algemeen duurt het langer om de kristallen te groeien.
De langere reactietijd nodig reflux werkwijze kan leiden tot nanodisks met een groter formaat. De gemiddelde grootte geëxpandeerd nanodisks wordt gemeten door dynamische lichtverstrooiing (DLS). In…
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).
