Multiwalled karbon nanotüpler kendinden montajlı etkinleştirmek için polistiren ve Anizotropik seçimdeki aşılama
Summary
Bir yordam adımlarını izleyen kimyasal değişiklik kullanarak polistiren aşılı multiwalled karbon nanotüpler sentezi için seçmeli olarak tanıtılması polimer zincirleri için yanağında ve onların kendinden montajlı üzerinden Anizotropik seçimdeki olduğunu sundu.
Abstract
Yanağında modülasyon nanotüp yüzey özellikleri etkinleştirmek için bir serbest radikal polimerizasyon strateji aracılığıyla, polistiren (PS) zincirlerle bozulmamış multiwalled karbon nanotüpler (MWCNTs) greft için basit bir protokol göstermek ve kendinden montajlı taşınımı supramolecular üretmek. İlk olarak, bir catalytically aracılı bifazik oksidasyon reaksiyonu ile bozulmamış nanotüpler seçici bir prokollajen yanağında yüzeysel olarak dağıtılmış reaktif siteleri oluşturur. İkinci reaktif siteleri daha sonra polymerizable siteleri oluşturmak için bir silylated metakrilik habercisi kullanarak metakrilik moieties ile değiştirilir. Polymerizable grupların stiren nanotüp yanağında aşılı PS zincirleri içeren bir hibrid nanomaterial üretmek için daha fazla polimerizasyon karşılayabilirsiniz. Polimer-greft içerik, tanıttı silylated metakrilik moieties miktarı ve nanotüpler modifikasyonu prokollajen tanımlanır ve Thermogravimetric analizi (TGA) sayılabilir. Reaktif Fonksiyonel grupların hidroksil ve silylated metakrilat varlığı Fourier Transform Infrared spektroskopisi tarafından (FT-IR) doğruladı. Tetrahydrofuran (THF) polistiren aşılı karbon nanotüp çözümlerinde duvardan duvara collinearly otomatik olarak birleştirilmiş nanotüpler ne zaman döküm örnekleri transmisyon elektron mikroskobu (TEM) tarafından analiz edilir sağlar. Ne zaman uygun boşluklar benzer şekilde sigara aşılı karşıtları içeren benzer çözümlerinden döküm bu öz-derlemeleri elde değil. Bu nedenle, bu yöntem kendiliğinden otomatik-kuruluştan Nano içine sonuçları nanotüp Anizotropik seçimdeki yanağında adlı modifikasyonu sağlar.
Introduction
Tek duvarlı karbon nanotüpler (SWCNTs),1,2 keşif beri bilimsel topluluklar kendi üstün elektrik, mekanik ve termal özellikleri3 ‘ geniş bir kupür-kenar uygulamış olan uygulamaları onların yüzey özellikleri ile kovalent4 ve kovalent olmayan5 stratejileri oransal tarafından. Bu uygulamaları kullanımları sensörler,6,7 elektrotlar Güneş Pilleri dönüştürücüler olarak örnekleri,8 heterojen kataliz, sentez, anti-fouling10 9 nanoreactors destekler koruyucu filmi, kompozit malzemeler,11 dolgu ajanları12vs. Ancak, onların daha sağlam yüzey özellikleri, henüz endüstriyel kullanılabilir multiwalled meslektaşları Yani, nano, kovalent olmayan onların etkileşim içinde yön kontrol MWCNTs, modüle imkanı bir zor kalmıştır görev defa. 13
Madde, nano organizasyonu kontrol etmek için en çok yönlü stratejilerden birini kendinden montajlı Moleküler yapı taşları supramolecular. 14 , 15 bu anlamda, yön, kısa menzilli ve H-bond, Van der Waals, gibi dipol-dipol iyon-dipol dipol dipol kaynaklı, π π istifleme, ba * π, anyon-π, coulombic orta sınıf kovalent olmayan etkileşimleri supramolecular etkileşimleri dahil, diğerleri arasında. 16 ne yazık ki, kendinden montajlı için MWCNTs gibi daha geniş yapılar içinde yön spontan değildir ve genellikle dış sebebi Kuvvetleri (örneğin şablonlar veya enerji dağıtımı sistemleri) gerektirir. 17 nanotüpler ikinci gol,18 ama kovalent stratejileri kullanımı yeni alternatifler sunmak için bu sorunu çözmek için takip etmek uygun eş polimerler ile son kullanılan rapor kovalent olmayan kaydırma güçlükle keşfedilmiş kaldı.
Karbon nanotüpler kimyasal modifikasyonu seçime bağlı olarak farklı Fonksiyonel grupların termini veya aynı yanağında tanıtmak için yürütülen olabilir. 19 , 20 yüzey özelliklerini karbon nanoyapıların uyarlamak için en kullanışlı yaklaşımlar polimer-aşılama yoluyla standart polimerizasyon yollar biridir. Genellikle, bu yaklaşımlar polymerizable ön giriş içerir veya başlatıcı grup (Akrilik, vinil, vb) nanostructure yüzey ve onların birbirini izleyen polimerizasyon uygun bir monomer ile. 21 MWCNTs söz konusu olduğunda, bir meydan okuma onların seçimdeki Anizotropik bir biçimde denetlemek için yanağında üzerinde polimer zincirlerinin kovalent giriş kalmıştır.
Burada biz bir dizi basit kimyasal değişiklik adımları22,23 PS zincirleri MWCNTs yanağında üzerinde onların yüzey seçimdeki değiştirmek için ve onların Anizotropik tanıtmak için eklemek için uygulanabilir nasıl gösterir kendinden montajlı23 , nano. Değişiklik yol bir ilk adım yanağında, bozulmamış MWCNTs seçici prokollajen takip ederek bir bifazik catalytically hydroxylated meslektaşları Yani, verim için oksidasyon reaksiyonu MWCNT-OH aracılı sağlar. İkinci bir adım 3-(trimethoxysilyl) kullanan propil metakrilat (TMSPMA) önceden oluşturulmuş hidroksil grupları (MWCNT-O-TMSPMA) silylated metakrilik moieties tanıtmak. Bu uçlar stiren monomer nanotüpler (Yani MWCNT-O-PS) sonunda yanağında aşılı polimer zincirleri böylece verimli metakrilik moieties üzerinden polimerli zaman sırasında yüzey reaktif siteleri üçüncü adım, sağlayacaktır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu yöntem, başarılı bir aşılama işlemi güvence altına almak için kritik neden bazı adımlar vardır. İlk olarak, catalytically aracılı bifazik oksidasyon reaksiyonu (Adım 1.1) son dağınık karbon nanotüpler (Adım 1.1.1.5) ile yapılmalıdır. Dağılım protokol önerileri göre kamunun sonuçlanırsa, bir ultrasonik ipucu sonicator kullanımı aynı endikasyonları (Adım 1.1.1.6) kullanıyorsanız yararlı olacaktır. Daha kısa MWCNTs kullanarak da dağılım Sorunları çözmede yardımcı olabilir…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ulusal Özerk Meksika Üniversitesi (grant numaraları 5000-9158, 5000-9156, IA205616 ve IA205316) FQ-PAIP ve DGAPA-PAPIIT programlarından kabul etmek istiyoruz ve bilim ve teknoloji Meksika Ulusal Konseyi – CONACYT-(numarası vermek 251533).
Materials
| Tetrapropylammonium bromide, 99 % (TPABr) | Sigma-Aldrich | 88104 | Irritant, toxic |
| Potassium permanganate, 99 % (KMnO4) | Sigma-Aldrich | 223468 | |
| Acetic acid, 99.5 % | Sigma-Aldrich | 45726 | |
| Pristine multiwalled carbon nanotubes, 99 % (MWCNTs) | Bayer Technology Services | Donated sample | Harmful dusts. >1 mm in length and 13–16 nm in outer diameter. Alternative supplier: Nanocyl, Catalog N. NC7000, website: http://www.nanocyl.com/ |
| Sodium Chloride, 98 % (NaCl) | Sigma-Aldrich | S3014 | Technical grade can also be used |
| Ethanol, 99.8 % (EtOH) | Sigma-Aldrich | 32221 | Technical grade can also be used |
| Methanol, 99.8 % (MeOH) | Sigma-Aldrich | 322415 | Highly toxic. Technical grade can also be used |
| Hydroquinone, 99 % | Sigma-Aldrich | H9003 | |
| Toluene, 99.8 % | Sigma-Aldrich | 244511 | Anhydrous |
| 3-(Trimethoxysilyl)propyl methacrylate, 98 % (TMSPMA) | Sigma-Aldrich | 440159 | Air sensitive, toxic |
| Azobisisobutyronitrile, 99 % (AIBN) | Sigma-Aldrich | 755745 | Explosive |
| Styrene, 99 % | Sigma-Aldrich | S4972 | Purified using an alumina gel preparative column and stored at 4 °C |
| Acetone, 99.5 % | Sigma-Aldrich | 179124 | Technical grade can also be used |
| Tetrahydrofuran, 99.9 % (THF) | Sigma-Aldrich | 494461 | |
| Dichloromethane, 99.5 % | Sigma-Aldrich | 443484 | Highly toxic |
| Hydrochloric acid, 37 % | Sigma-Aldrich | 435570 | Harmful fumes |
References
- Iijima, S. Helical Microtubules of Graphitic Carbon. Nature. 354, 56-58 (1991).
- Iijima, S., Ichihashi, T. Single-Shell Carbon Nanotubes of 1-nm Diameter. Nature. 363, 603-605 (1993).
- Dai, H. Carbon Nanotubes: Synthesis, Integration and Properties. Acc. Chem. Res. 35, 1035-1044 (2002).
- Karousis, N., Tagmatarchis, N. Current Progress on the Chemical Modification of Carbon Nanotubes. Chem. Rev. 110, 5366-5397 (2010).
- Zhao, Y. L., Stoddart, J. F. Noncovalent Functionalization of Single-Walled Carbon Nanotubes. Acc. Chem. Res. 42, 1161-1171 (2009).
- Zelada-Guillén, G. A., Riu, J., Düzgün, A., Rius, F. X. Immediate Detection of Living Bacteria at Ultralow Concentrations Using a Carbon Nanotube Based Potentiometric Aptasensor. Angew. Chem. Int. Ed. 48, 7334-7337 (2009).
- Zelada-Guillén, G. A., Blondeau, P., Rius, F. X., Riu, J. Carbon Nanotube-Based Aptasensors for the Rapid and Ultrasensitive Detection of Bacteria. Methods. 63, 233-238 (2013).
- Jung, Y., Li, X., Rajan, N. K., Taylor, A. D., Reed, M. A. Record High Efficiency Single-Walled Carbon Nanotube/Silicon p-n Junction Solar Cells. Nano Lett. 13, 95-99 (2013).
- Escárcega-Bobadilla, M. V., Rodríguez-Pérez, L., Teuma, E., Serp, P., Masdeu-Bultó, A. M., Gómez, M. Rhodium Complexes Containing Chiral P-Donor Ligands as Catalysts for Asymmetric Hydrogenation in Non Conventional Media. Chem. Soc. Rev. 141, 808-816 (2011).
- Miners, S. A., Rance, G. A., Khlobystov, A. N. Chemical Reactions Confined within Carbon Nanotubes. Chem. Soc. Rev. 45, 4727-4746 (2016).
- Rege, K., Raravikar, N. R., Kim, D. Y., Schadler, L. S., Ajayan, P. M., Dordick, J. S. Enzyme-Polymer-Single Walled Carbon Nanotube Composites as Biocatalytic Films. Nano Lett. 3, 829-832 (2003).
- Ma, R., Menamparambath, M. M., Nikolaev, P., Baik, S. Transparent Stretchable Single-Walled Carbon Nanotube-Polymer Composite Films with Near-Infrared Fluorescence. Adv. Mater. 25, 2548-2553 (2013).
- De Volder, M. F. L., Tawfick, S. H., Baughman, R. H., Hart, A. J. Carbon Nanotubes: Present and Future Commercial Applications. Science. 339, 535-539 (2013).
- Lehn, J. M. Perspectives in Chemistry – Steps towards Complex Matter. Angew. Chem. Int. Ed. 52, 2836-2850 (2013).
- Mattia, E., Otto, S. Supramolecular Systems Chemistry. Nat. Nanotechnol. 10, 111-119 (2015).
- Leh, J. M. . Supramolecular Chemistry: Concepts and Perspectives. , (1995).
- Escárcega-Bobadilla, M. V., et al. Nanorings and Rods Interconnected by Self-Assembly Mimicking an Artificial Network of Neurons. Nat. Commun. 4, 2648 (2013).
- Gegenhuber, T., et al. Noncovalent Grafting of Carbon Nanotubes with Triblock Terpolymers: Toward Patchy 1D Hybrids. Macromolecules. 48, 1767-1776 (2015).
- Peng, H., Alemany, L. B., Margrave, J. L., Khabashesku, V. N. Sidewall Carboxylic Acid Functionalization of Single-Walled Carbon Nanotubes. J. Am. Chem. Soc. 125, 15174-15182 (2003).
- Furtado, C. A., Kim, U. J., Gutierrez, H. R., Pan, L., Dickey, E. C., Ecklund, P. C. Debundling and Dissolution of Single-Walled Carbon Nanotubes in Amide Solvents. J. Am. Chem. Soc. 126, 6095-6105 (2004).
- Jeon, J. H., Lim, J. H., Kim, K. M. Fabrication of Hybrid Nanocomposites with Polystyrene and Multiwalled Carbon Nanotubes with Well-Defined Polystyrene via Multiple Atom Transfer Radical Polymerization. Polymer. 50, 4488-4495 (2009).
- Kim, M., Hong, C. K., Choe, S., Shim, S. E. Synthesis of Polystyrene Brush on Multiwalled Carbon Nanotubes Treated with KMnO4 in the Presence of a Phase-Transfer Catalyst. J. Polym. Sci. Pol. Chem. 45, 4413-4420 (2007).
- Oliveira, E. Y. S., Bode, R., Escárcega-Bobadilla, M. V., Zelada-Guillén, G. A., Maier, G. Polymer Nanocomposites from Self-Assembled Polystyrene-Grafted Carbon Nanotubes. New J. Chem. 40, 4625-4634 (2016).
- Shriver, D. F., Drezdzon, M. A. . The Manipulation of Air-Sensitive Compounds. , (1986).
- Bressy, C., Ngo, V. G., Ziarelli, F., Margaillan, A. New Insights into the Adsorption of 3-(Trimethoxysilyl)-propylmethacrylate on Hydroxylated ZnO Nanopowders. Langmuir. 28, 3290-3297 (2012).
- Wu, X., Qiu, J., Liu, P., Sakai, E., Lei, L. Polystyrene Grafted Carbon Black Synthesis via in situ Solution Radical Polymerization in Ionic Liquid. J. Polym. Res. 20, 167 (2013).
