التوليف وتقشير من Discotic الزركونيوم الفوسفات للحصول على بلورات الغروية السائل

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

الغرويات Discotic وفيرة في الطبيعة على هيئة الطين، asphaltene، وخلايا الدم الحمراء، والصدف. وهناك مجموعة من التطبيقات في العديد من النظم الهندسية، بما في ذلك بوليمر نانوي ^1، المواد الجزيئية الحيوية، والأغشية الوظيفية ^2، discotic الدراسات الكريستال السائل ³ و بيكرينغ مثبتات مستحلب ⁴ وضعت على أساس nanodisks الغروية discotic. Nanodisks مع التوحيد وانخفاض التشتت المتعدد هو مهم لدراسة المراحل والتحولات من البلورات السائلة. الزركونيوم الفوسفات (ZrP) هو nanodisks الاصطناعية مع بنية الطبقات امر جيد ونسبة الارتفاع السيطرة عليها (سمك أكثر من قطر). لذلك، واستكشاف التوليف مختلفة من ZrP يساعد على تأسيس فهم أساسي من نظام الكريستال السائل discotic.

تم توضيح هيكل ZrP التي كتبها كلرفيلد وStynes ​​في عام 1964 ^5. وبالنسبة للتركيب بلورات الطبقات من ZrP، المائية ووتعتمد أساليب ارتداد عادة ^6،7. طريقة المائية يعطي سيطرة جيدة على حجم تتراوح ما بين 400 إلى 1500 نانومتر، والتشتت المتعدد في 25٪ ^6، بينما يعطي طريقة ارتداد بلورات صغيرة للمرة مدة نفسه. وقد ثبت تسخين الميكروويف لتكون وسيلة واعدة لتخليق المواد النانوية ^8. ومع ذلك، لا توجد وثائق تصف تركيب ZrP تستند على الطريق بمساعدة الميكروويف. وقد درس الرقابة الفعالة على حجم، نسبة الارتفاع، وآلية نمو البلورات عن طريق أسلوب الحرارية المائية بشكل منتظم من قبل مجموعتنا ^6.

ZrP يمكن تقشر بسهولة في الطبقات الوحيدة في تعليق المائية، وZrP تقشر أنشئت كذلك المواد الكريستال السائل في مجموعة تشينغ ^3،9-13. وحتى الآن، تقشر nanodisks ZrP مع مختلف أقطار، ويقول نسب مختلفة، وقد تم دراسة أن نخلص إلى أن أكبر ZrP كان (الخواص) -N (خيطي) انتقال أنا في انخفاض يخدعحدانية التركيز مقارنة مع أصغر ZrP ^3. وقد نظرت أيضا في التشتت المتعدد ³ والملح ⁹ ودرجة الحرارة ^10،11 آثار على تشكيل المرحلة الكريستال السائل خيطي. وعلاوة على ذلك، المراحل الأخرى، مثل مرحلة الكريستال السائل الدلالات اللفظية، وقد تم التحقيق فضلا ^13،14.

في هذه المقالة، علينا أن نظهر تحقيقا تجريبيا من هذا الغروية ZrP nanodisks تعليق. وقد تم تجميع بلورات ZrP الطبقات عن طريق وسائل مختلفة، ويتم بعد ذلك تقشر في الأوساط المائية للحصول على nanodisks أحادي الطبقة. في النهاية، وتبين لنا السائلة مرحلة التحولات الكريستال التي أظهرتها هذا النظام. ومن الجوانب البارزة من هذه الأقراص هي طبيعتها متباين الخواص جدا أن سماكة إلى نسبة القطر في حدود 0،0007-0،05 اعتمادا على حجم الأقراص ^3. وnanodisks أحادي الطبقة متباين للغاية إنشاء نظام نموذجي لدراسة مرحلة التحولات في تعليق من nanodisks.

Protocol

1. توليف α-ZrP عن طريق أسلوب الحرارية المائية

1. حل 6 غرام من octahydrate zirconyl كلوريد (ZrOCl ₂ · 8H ₂ O) في 3.75 مل منزوع الأيونات الماء (DI) في 150 مل قارورة أسفل جولة.
2. إضافة 48 مل من 15 M حمض الفوسفوريك (H ₃ PO ₄₎ قطرة قطرة إلى حل ZrOCl ₂ أعدت في الخطوة 1.1 تليها مضيفا 8.25 مل منزوع الأيونات الماء (DI) تحت التحريك القوي.
3. صب الناتجة تشبه الهلام الخليط في تفلون مبطنة أوعية الضغط من حجم 80 مل. وضع السفينة في الأوتوكلاف الهيدروحرارية تتكون من قذيفة الفولاذ المقاوم للصدأ وغطاء، لوحة الضغط ومن ثم تشديد جيدا.
4. وضع الأوتوكلاف المائية في الفرن الحراري على حرارة 200 درجة مئوية لمدة 24 ساعة.
5. بعد رد الفعل، والسماح للتعقيم المياه الحارة ليبرد 8 ساعة إلى درجة حرارة الغرفة تحت التبريد المحيطة.
6. جمع أقراص α ZrP في أنبوب الطرد المركزي بعد التبريد باستخدام أجهزة الطرد المركزي في 2،500 x ج لمدة 10 دقيقة. جمع الجزء السائل في وعاء التخلص من النفايات منذ السائل طاف يحتوي على حمض الفوسفوريك المتفاعل الذي هو تآكل.
   1. بعد ذلك، إضافة 40 مل من الماء إلى ألفا ZrP، دوامة لمدة 1 دقيقة، وأجهزة الطرد المركزي في 2500 x ج لمدة 10 دقيقة مرة أخرى. كرر هذه الخطوة 3 مرات للتأكد من أن كل من الحمض وغسلها بعيدا.
7. الجاف خليط لزج ZrP المياه في الفرن على حرارة 65 درجة مئوية لمدة 8 ساعات ثم تطحن باستخدام مدقة وهاون.

2. تجميع α-ZrP بواسطة الطريقة الجزر

1. مزيج 6 غرام من ZrOCl ₂ · 8H ₂ O مع 50 مل من حمض 12 M الفوسفات في 150 مل قارورة أسفل جولة.
2. الخليط المعد في الخطوة 2.1 الجزر في حمام الزيت على 94 درجة مئوية لمدة 24 ساعة.
3. غسل المنتج بالماء DI ثلاث مرات بعد نفس البروتوكول في الخطوة 1.6، ثم تجفف في فرن عند 65 درجة مئوية لمدة 8 ساعات.
4. طحن عينة ضخمة المجفف إلى مسحوق باستخدام مدقة وهاون، والأوراق المالية وأو في وقت لاحق استخدام.

3. توليف α-ZrP بواسطة الطريقة بمساعدة ميكروويف

1. إضافة 1 غرام من ZrOCl ₂ · 8H ₂ O إلى 9 مل من محلول حمض الفوسفوريك 12 م، ويقلب الخليط الناتج جيدا في التلألؤ قارورة 20 مل.
2. صب 5 مل من الخليط أعلاه في وعاء زجاجي 10 مل المحددة لمفاعل الميكروويف.
3. ضبط درجة الحرارة رد فعل على 150 درجة مئوية، والحد من الضغط في 300 رطل والسماح للرد فعل أن يحدث لمدة 1 ساعة.
4. بعد رد الفعل، والسماح للسفينة الزجاج يبرد لمدة 15 دقيقة ثم تتبع نفس الإجراءات المتبعة في خطوات 1،6-1،7 لغسيل حمض وتجفيف بلورات α ZrP.

4. تقشير من الطبقات α-ZrP إلى الطبقات الوحيدة

1. تفريق 1 غرام من α-ZrP إلى 10 مل من الماء DI في التلألؤ قارورة 20 مل.
2. إضافة 2.2 مل من TBAOH (40 وزن٪) إليه ودوامة لمدة 40 ثانية على الأقل. لاحظ أن نسبة المولي من عنصر الزركون: يتم الاحتفاظ TBAOH ك 1: 1.
3. يصوتن تعليق تتركز مما أدى لمدة 1-2 ساعة ويترك لمدة 3 أيام للسماح إقحام الكامل من TBA ⁺ الأيونات وتقشير كامل للبلورات. اختياريا، تعليق تتركز يمكن أن تضعف (2 إلى 3 مرات تمييع) مع الماء للحصول على تقشير أفضل.
4. الطرد المركزي العينات تقشر في سرعة دوران عالية (2500 x ج) لمدة 1 ساعة لإزالة بلورات تقشر جزئيا استقرت في قاع. جمع الجزء العلوي (تقشر ZrP) في وعاء آخر، وكرر الإجراء حتى يتم العثور على أي الرواسب.

النتائج

الشكل 1A-ج عرض الصور ووزارة شؤون المرأة من nanodisks-α ZrP تم الحصول عليها من المياه الحارة، الجزر، وأساليب بمساعدة الميكروويف، على التوالي. ولوحظ أن nanodisks-α ZrP تظهر سداسية في شكل وسماكة مختلفة تبعا لظروف التوليف والأساليب المعدة. أفادت دراسة نشرت ...

Discussion

طريقة الجزر هو خيار جيد لجعل حجم أصغر من α-ZrP التي يبلغ قطرها موحد وسمك. على غرار الأسلوب المائية، ويقتصر على طريقة الجزر من الوقت اللازم لإعداد. بشكل عام، يستغرق وقتا أطول للبلورات أن تنمو.

في وقت رد الفعل الأطول المطلوب لطريقة ال?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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. (1.5 M)
Equipment
Reaction Oven	Fischer Scientific	CL2 centrifuge	Isotemperature Oven (Temperature up to 350 °C)
Centrifuge	Thermo Scientific	Not Available	Rotation Speed: 100 - 4,000 rpm
Microwave Reactor	CEM Corporation	Discover and Explorer SP	Temp. up to 300 °C, power up to 300 W, pressure up to 30 bar