Sentezi ve diskotik Zirkonyum Fosfatların Eksfoliasyon Kolloidal Sıvı Kristaller Edinme
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
Diskotik kolloidler kil, asfalten, kırmızı kan hücreleri ve sedef şeklinde doğal olarak bol miktarda bulunmaktadır. Polimer nanokompozitler 1, biomimetic malzemeler, fonksiyonel membranların 2, diskotik sıvı kristal çalışmaları 3 ve 4 diskotik kolloidal nanodisks dayalı geliştirilirken Pickering emülsiyon stabilizatörleri dahil olmak üzere birçok mühendislik sistemlerinde uygulamalar, bir dizi. muntazamlığı ve düşük poli sahip Nanodisks fazlar ve sıvı kristaller dönüşümleri çalışmaları için önemlidir. Zirkonyum fosfat (ZrP) iyi sıralı katmanlı yapısı ve kontrol boy oranı (çapı üzerinde kalınlığı) ile sentetik nanodisks olduğunu. Bu nedenle, ZrP farklı sentezinin keşif diskotik sıvı kristal sisteminin temel anlayış oluşturulmasına yardımcı olmaktadır.
ZrP yapısı 1964 5 Clearfield ve Stynes ile açıklığa kavuşturulmuştur. ZrP, hidrotermal katmanlı kristallerinin sentezi için vereflü yöntemler yaygın 6,7 kabul edilir. Geri akış yöntemi aynı süresi zaman küçük kristaller verirken Hidrotermal yöntem olup, 400 ile% 25 6 içinde 1.500 nm ve poli kadar boyutuna iyi bir kontrol sağlar. Mikrodalga ısıtma nano 8 sentezi için umut verici bir yöntem olduğu kanıtlanmıştır. Ancak, mikrodalga destekli güzergah üzerinde ZrP sentezini açıklayan hiçbir kağıtları vardır. Boyut, en boy oranı ve hidrotermal yöntemi ile kristal büyüme mekanizması üzerinde etkili bir kontrol sistemli grubumuza 6 ile incelenmiştir.
ZrP kolay sulu süspansiyonlar içinde mono-tabaka olarak dağılmış olabilir ve pul pul dökülmüş ZrP Cheng'e grubunda 3,9-13 sıvı kristal malzeme olarak kurulmuştur. Şimdiye kadar, çeşitli çaplarda exfoliated ZrP nanodisks, farklı boy oranları büyük ZrP alt con de I (izotropik) -N (nematik) geçiş vardı sonucuna çalışılmıştır demekDaha küçük ZrP 3 ile karşılaştırıldığında sentrasyonu. Nematik sıvı kristal fazın oluşumu polidispersite 3, tuz 9 ve sıcaklık 10,11 etkileri de dikkate alınmıştır. Ayrıca, bu tür sematic sıvı kristal faz olarak başka fazlar yanı 13,14 incelenmiştir.
Bu makalede, biz böyle bir kolloidal ZrP nanodisks süspansiyon deneysel gerçekleşmesini göstermektedir. Katmanlı ZrP kristaller farklı yöntemler kullanılarak sentezlenir ve daha sonra tek tabakalı nanodisks elde etmek üzere, sulu ortam içinde dağılmış olan. Sonunda, bu sistem tarafından sergilenen sıvı kristal faz geçişleri göstermektedir. Bu diskler bir önemli yönü, çapı oranının kalınlığı diskleri 3 boyutuna bağlı olarak 0.05 0.0007 aralığındadır onların yüksek ölçüde anizotropik doğasıdır. yüksek ölçüde anizotropik tek tabaka nanodisks nanodisks süspansiyonları faz geçişleri çalışmak için bir model sistem kurmak.
Protocol
Representative Results
Discussion
reflü yöntemi, muntazam çap ve kalınlıkta α-ZrP daha küçük bir boyut yapmak için iyi bir seçenektir. hidrotermal yönteme benzer şekilde, geri akış yöntemi hazırlanması zaman ile sınırlıdır. Genel olarak, bu kristallerinin oluşması için gerekli uzun bir zaman alır.
geri akış yöntemi için gerekli olan uzun bir reaksiyon süresi daha büyük bir boyuta sahip nanodisks neden olabilir. dağılmış nanodisks ortalama boyutu, dinamik ışık saçılımı (DLS) ile öl…
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).
