Syntes och exfoliering av disko Zirkonium Fosfater Skaffa Colloidal Liquid Crystals
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
Disko kolloider är naturligt rikligt i form av lera, asfalten, röda blodkroppar, och pärlemor. En rad tillämpningar inom många tekniska system, inklusive polymer nanokompositer 1, biomimetiska material, funktionella membran 2, disko flytande kristaller studier 3 och Pickering emulsionsstabilisatorer 4 utvecklas utifrån disko kolloidalt nanodisks. Nanodisks med enhetlighet och låg polydispersitet är viktig för att studera faser och omvandlingar av flytande kristaller. Zirkoniumfosfat (ZRP) är en syntetisk nanodisks med välordnad skiktad struktur och kontrollerbar förhållandet (tjocklek över diameter). Därför utforskandet av olika syntes av ZRP hjälper till att etablera grundläggande förståelse för disko flytande kristallsystem.
Strukturen för ZRP ades klarlagts av Clearfield och Stynes 1964 5. För syntes av skiktade kristaller av ZRP, hydrotermisk ochÅterströmnings metoder är allmänt antagits 6,7. Hydrotermiska metoden ger en bra kontroll på storlek som sträcker sig från 400 till 1500 nm och polydispersitet inom 25% 6, medan återflöde metod ger mindre kristaller för samma varaktighet. Mikrovågsuppvärmning har visat sig vara en lovande metod för syntes av nanomaterial 8. Emellertid finns det inga papper som beskriver syntes av ZRP baserat på mikrovågsassisterad rutten. Effektiv kontroll över storlek, proportioner, och mekanismen för kristalltillväxt genom hydrotermisk metod systematiskt studerats av vår grupp 6.
ZRP kan lätt exfolierad in i monoskikt i vattenhaltiga suspensioner, och exfolierad ZRP har blivit väl etablerade som vätskekristallmaterial i Cheng grupp 3,9-13. Hittills exfolierad ZRP nanodisks med olika diametrar, säger olika bildformat, har studerats för att dra slutsatsen att större ZRP hade jag (isotropa) N (nematisk) övergång till lägre concentrationen jämfört med mindre ZRP 3. Polydispersiteten 3, salt 9 och temperatur 10,11 effekter på bildningen av nematiskt vätskekristallfasen har också beaktats. Dessutom andra faser, såsom Sematic flytande kristallfasen, har undersökt samt 13,14.
I den här artikeln visar vi experimentell förverkligande av en sådan kolloidal ZRP nanodisks suspension. Layered ZRP kristaller syntetiseras via olika metoder, och sedan exfolierad i vattenbaserade medier för att erhålla monolager nanodisks. I slutet visar vi flytande övergångar kristallfasen som uppvisas av detta system. En anmärkningsvärd aspekt av dessa skivor är deras mycket anisotrop karaktär att förhållande mellan tjocklek och diameter är i intervallet från 0,0007 till 0,05, beroende på storleken av skivor 3. De mycket anisotropa monolager nanodisks inrätta ett modellsystem för att studera fasövergångar i suspensioner av nanodisks.
Protocol
Representative Results
Discussion
Återflödes metod är ett bra alternativ för att göra en mindre storlek av α-ZRP med en enhetlig diameter och tjocklek. Liknar den hydrotermiska metoden återflödesmetoden begränsas av den tid beredningen. I allmänhet tar det längre tid för kristallerna att växa.
Ju längre reaktionstid som krävs för återflöde metod kan resultera i nanodisks med en större storlek. Den genomsnittliga storleken på exfolierad nanodisks mätes genom dynamisk ljusspridning (DLS). I denna studie, s…
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).
