Síntesis microfluídica de marcos orgánicos covalentes (COFs): Una herramienta para la producción continua de fibras COF e impresión directa en una superficie

Resumen

Presentamos un nuevo método basado en microfluidos para la síntesis de estructuras orgánicas covalentes (COFs). Demostramos cómo este enfoque se puede utilizar para producir fibras COF continuas, y también estructuras 2D o 3D COF en superficies.

Resumen

Covalent Organic Frameworks (COF) son una clase de materiales covalentes porosos que se sintetizan frecuentemente como polvos cristalinos no procesables. El primer COF se informó en 2005 con mucho esfuerzo centrado en el establecimiento de nuevas rutas sintéticas para su preparación. Hasta la fecha, la mayoría de los métodos sintéticos disponibles para la síntesis de COF se basan en el mezclado en masa en condiciones solvotérmicas. Por lo tanto, existe un interés creciente en el desarrollo de protocolos sistemáticos para la síntesis de COF que proporcionan un control fino sobre las condiciones de reacción y mejoran la procesabilidad de COF en superficies, lo cual es esencial para su uso en aplicaciones prácticas. En el presente documento, se presenta un nuevo método basado en microfluidos para la síntesis de COF en donde la reacción entre dos bloques constituyentes constitutivos, el 1,3,5-bencenotricarbaldehído (BTCA) y el 1,3,5-tris (4-aminofenil) benceno (TAPB) Tiene lugar bajo condiciones de difusión controlada ya temperatura ambiente. El uso de este enfoque produce una esponja, como CRYSTallina de un material de COF, en lo sucesivo denominado MF-COF. Las propiedades mecánicas de MF-COF y la naturaleza dinámica del enfoque permiten la producción continua de fibras MF-COF y su impresión directa sobre superficies. El método general abre nuevas aplicaciones potenciales que requieren una impresión avanzada de estructuras COF 2D o 3D sobre superficies flexibles o rígidas.

Introducción

Los marcos orgánicos covalentes (COFs) son una clase bien establecida de material poroso y cristalino en el que los bloques orgánicos de construcción están firmemente unidos entre sí por enlaces covalentes ^{1 , 2 , 3 , 4 , 5} . Los COF se montan típicamente siguiendo principios quımicos supramoleculares, en los que los bloques constructivos moleculares constitutivos son reaccionados selectivamente para definir un conjunto poroso final y predeterminado. Este enfoque permite la síntesis de materiales con estructura controlada y ordenada ( por ejemplo , con dimensiones de poro definidas) y la composición ^{3 , 6 , 7 , 8} . En comparación con otros materiales porosos, los COF son únicos ya que están compuestos por elementos ligeros (C, H, B, N y O) y tienen poro sintonizable Sidades ^{1 , 5} . Inspirándose en estas características únicas e intrínsecas, los COFs han sido evaluados para su posible aplicación en separaciones químicas ⁹ , almacenamiento de gas ¹⁰ y catálisis ¹¹ , sensores ¹² , optoelectrónica ¹³ , tecnologías de energía limpia ¹⁴ y dispositivos de energía electroquímica ¹⁵ .

Hasta la fecha, la gran mayoría de los métodos utilizados para la preparación de materiales de COF se basan en auto-condensación solvotérmica y en reacciones de co-condensación, donde las altas temperaturas y presiones son el estándar. Aunque los COF son térmicamente robustos, comúnmente sufren de procesabilidad limitada, es decir , los COF son usualmente polvos cristalinos insolubles y no procesables, y esto limita significativamente su uso en una gama de aplicaciones potenciales y prácticasSs = "xref"> 2 ^{, 6 , 8 , 16 , 17} . A pesar de los notables progresos realizados en la sıntesis de COF, un desafío principal en el campo es desarrollar un método que permita la preparación de COFs en condiciones de reacción apropiadas ( por ejemplo , temperatura y presión), lo que puede facilitar su procesabilidad en superficies.

Recientemente, los estudios han demostrado que la química de Shiff-base se puede utilizar para sintetizar un COF basado en imina a temperatura ambiente. El COF producido, llamado RT-COF-1, se forma debido a la rápida y eficiente reacción entre 1,3,5-tris (4-aminofenil) benceno (TAPB) y 1,3,5-bencenetricarbaldehído (BTCA) ¹⁷ 1A ). La eficacia de este método sintético se demostró mediante la impresión directa de patrones micrónicos y submicrónicos de RT-COF-1 en superficies rígidas y flexibles usando litografía oTécnicas de impresión por inyección de tinta. Más recientemente, y haciendo uso de la microfluídica, hemos demostrado un enfoque eficaz para la síntesis continua de fibras de la misma imina basado en COF a continuación denominado MF-COF ⁶ . A diferencia de otros métodos sintéticos reportados para la generación de COF ¹⁸ , este método sintético basado en microfluidos permitió la síntesis rápida de fibras MF-COF a temperaturas y presiones ambientales en unos pocos segundos. Además, y debido a la estabilidad mecánica de las fibras sintetizadas MF-COF, hemos demostrado cómo este método basado en microfluidos puede permitir la impresión directa de estructuras 2D y 3D sobre superficies. En el presente documento, se demuestra que este método puede usarse para dibujar estructuras de COF sobre diversas superficies que tienen propiedades químicas y físicas diferentes. Creemos que este nuevo método abre nuevas vías para el patrón bien controlado y la impresión directa de COFs en diferentes orientaciones y en diversas superficies.

Protocolo

1. Fabricación del molde principal

1. Realizar la fabricación fotolitográfica de un molde maestro de silicio de 4 pulgadas como se describe con detalle anteriormente ¹⁹ ; El molde maestro utilizado en este estudio se ha fabricado utilizando el mismo protocolo.
   NOTA: Los dispositivos microfluídicos se fabrican típicamente a través de un proceso de varios pasos. El primer paso es el diseño del canal microfluídico utilizando un software de dibujo convencional. A continuación, se producen fotomasque de película de alta resolución que contienen la red microfluídica con una precisión característica de aproximadamente 5 μm. A continuación, los moldes maestros se fabrican en una oblea de silicio de 4 pulgadas mediante técnicas de fotolitografía estándar. SU-8, una fotorresistencia negativa, se emplea para la fabricación de los moldes maestros en las investigaciones actuales. La altura de las estructuras SU-8 se define como de 50 μm en nuestros dispositivos. Por último, los dispositivos microfluídicos se fabrican mediante la colada directa de un polímero transparente, normalmente polidimetHilsiloxano (PDMS), contra el molde maestro.

2. Fabricación de dispositivos microfluídicos de una sola capa

NOTA: El protocolo requiere un horno que funcione a 70 ° C. La temperatura del horno debe estabilizarse a 70 ° C antes de iniciar el protocolo de fabricación. Temperaturas más bajas pueden conducir a dispositivos mal adheridos y no funcionales.

1. Coloque el molde maestro fabricado en un desecador, equipado con una bomba de vacío. A continuación, verter 100 μl de clorotrimetilsilano en un vial de vidrio y colocarlo en el interior del desecador.
   NOTA: ¡PRECAUCIÓN! El clorotrimetilsilano es una sustancia corrosiva, peligrosa y tóxica. Por consiguiente, todos los pasos de manipulación deben realizarse bajo una campana de ventilación bien ventilada, y se deben usar gafas de protección apropiadas, guantes y bata de laboratorio.
2. Cerrar el desecador y poner al vacío (en este experimento, 51 mbar). Esperar al menos 1 h para asegurar la deposición de clorotrimetilSilano en la superficie del molde principal. Después de 1 h, abra suavemente la válvula de aire del desecador para equilibrarla a presión atmosférica y abrirla.
   NOTA: ¡PRECAUCIÓN! Tan pronto como se abre el desecador, sale vapor de clorotrimetilsilano; No respire directamente sobre el desecador y realice siempre lo anterior en una campana de ventilación.
3. Saque con cuidado el molde maestro silanizado a mano y cierre el desecador. Guarde el molde principal en una caja cerrada (o dentro de una campana de flujo laminar) para evitar la deposición de partículas en su superficie.
   NOTA: Todos los pasos del procedimiento deben realizarse bajo una campana de flujo laminar que funcione con una velocidad de aire uniforme.
4. Preparar una mezcla de prepolímero PDMS y agente de curado (10: 0,9 en peso) en una taza desechable y mezclar vigorosamente con una espátula de plástico. Como guía, utilice 20 g de elastómero y 1,8 g de agente de curado para fabricar cuatro dispositivos microfluídicos PDMS de aproximadamente 5 mm de espesor.
5. Coloque la taza que contiene la PD bien mezcladaMS en un desecador bajo vacío para desgasear y eliminar las burbujas de aire. Una vez que el PDMS se desgasifica, abra el desecador y retire la taza.
   NOTA: En este experimento, se tarda aproximadamente 30 min a 51 mbar.
6. Coloque suavemente cuatro marcos cuadrados ( p . Ej. , Marcos de politetrafluoroetileno (PTFE) con dimensiones interiores de 24 mm x 24 mm) en el molde maestro de forma que cada uno forme una pared alrededor de una sola estructura con dibujos en el molde principal.
7. Vierta el PDMS desgasificado en los marcos y encima del molde principal hasta que esté lleno. Coloque el molde principal con los marcos cuadrados llenos en un horno a 70 ° C durante 2 h.
8. Después de 2 h, retire el molde maestro del horno y deje enfriar el conjunto a temperatura ambiente.
9. Despegue manualmente los bloques PDMS estructurados (o chips PDMS) y los marcos cuadrados separándolos cuidadosamente del molde maestro y deslice los chips PDMS de los marcos cuadrados.
10. Perfore los orificios de entrada y salida usando un punzón de biopsia de 1,5 mm enEn el diseño, por ejemplo , al final de los canales microfluídicos. Cortar las piezas adicionales de PDMS y eliminar los desechos de la superficie de los chips PDMS estructurado utilizando cinta adhesiva.
11. Coloque los chips PDMS (con los canales abiertos hacia arriba), así como los cubreobjetos de vidrio, en la cámara de un generador de plasma y cierre la cámara.
12. Poner el generador de plasma bajo vacío (1,4 mbar aquí); Encender el generador de plasma durante 1 min.
13. Después de 1 min, apagar el generador de plasma, ventilar la cámara y sacar los chips PDMS tratados y cubreobjetos de vidrio. Unir los chips PDMS (desde el lado con canales estructurados) y cubreobjetos de vidrio juntos para cerrar los canales; En este punto se fabrican los dispositivos microfluídicos de una sola capa.
14. Finalmente, coloque los dispositivos microfluídicos unidos en un horno a 70 ° C durante al menos 4 h para mejorar sustancialmente la unión entre el PDMS y el vidrio.

3. PrepararSolución de Microfluidos y Soluciones Precursoras

1. Preparar una solución 0,040 M de BTCA en ácido acético.
   NOTA: ¡PRECAUCIÓN! El ácido acético es un compuesto peligroso, corrosivo e inflamable y su vapor es extremadamente irritante para los ojos y el sistema respiratorio. Por consiguiente, las etapas de manipulación deben realizarse en una campana extractora de humos. Además, el usuario debe usar una capa protectora de laboratorio, gafas y guantes.
2. Preparar una solución 0,040 M de TAPB en ácido acético.
   NOTA: El dispositivo microfluídico utilizado en los experimentos actuales tiene cuatro canales de entrada ( Figura 1B y Figura 2 ).
3. Cargar las soluciones BTCA y TAPB en dos jeringuillas diferentes (jeringas de 5 ml cargadas con 3 ml de solución aquí), colocar y asegurar las jeringas en una bomba de jeringa y conectarlas a las dos entradas medias del chip microfluídico fabricado (un reactivo por entrada) usando Tubo de PTFE (diámetro interno de 0,8 mm).
4. Cargue otras dos jeringas con(Aquí unas jeringas de 5 ml completamente cargadas), coloque y asegure las jeringas en la bomba de la jeringa y conéctelas a las dos entradas laterales del chip microfluídico usando el mismo tipo de tubo de PTFE.
5. Conecte un tubo de PTFE suficientemente largo (en el experimento actual, ~ 15 cm) a la salida del chip microfluídico. Utilice una bomba de jeringa controlada por computadora para motivar flujos de fluido como se describe en los siguientes pasos.

4. Síntesis Continua de Fibras MF-COF

1. El uso de la bomba de jeringa introduce dos flujos de vaina de ácido acético cada uno a un caudal de 100 μl / min; Los flujos de vaina están situados en el lado exterior de los flujos de reactivos ( Figura 2 ).
2. Espere 1 minuto e inyecte los dos reactivos (TAPB y BTCA) a través de las dos entradas medias (un reactivo por entrada) cada una con un caudal de 50 μL / min. Espere 1 minuto hasta que se establezcan flujos estables.
3. Observar la formación de microestructuras fibrosas amarillasUres previamente caracterizadas como MF-COF por espectroscopia de infrarrojo por transformada de Fourier (FT-IR), análisis elemental y RMN ^de CPC-S ¹³ C ^de estado sólido; Bajo estas condiciones la formación de MF-COF no es continua.
4. Aumentar el caudal de TAPB y BTCA a 200 μL / min y mantener los dos flujos de vaina de ácido acético a 100 μL / min. Espere 1 minuto hasta que el flujo se estabilice. Observe la formación de una suspensión altamente concentrada de fibras MF-COF amarillas, que finalmente conduce al bloqueo de la salida.
5. Como el chip y el tubo de salida son ahora no funcionales, utilice un nuevo chip y prepárelo para el experimento de acuerdo con los pasos 3.3-3.6.
6. Introducir dos flujos de vaina de ácido acético cada uno a un caudal de 100 μL / min y esperar 1 min. Ajuste los caudales de TAPB y BTCA cada uno a 100 μL / min y observe la formación de una fibra MF-COF amarilla continua.
7. Coloque la salida del tubo en una placa de Petri que contenga acetatoÁcido cítrico. Por ejemplo, colocar 10 ml de ácido acético en una placa de Petri de vidrio redondo (60 mm de diámetro). Una vez que la fibra sintetizada sale del tubo situado en la salida del dispositivo microfluídico, mueva el tubo sobre una superficie para facilitar la salida de la fibra MF-COF continua.

5. Impresión Directa de Estructuras MF-COF 2D y 3D

NOTA: Como la fibra sintetizada puede no ser completamente homogénea, la velocidad de deposición debe ser ajustada para asegurar la impresión continua.

1. Preparar la configuración microfluídica como se describe en la sección 3 e inyectar las cuatro soluciones cada una a un caudal de 100 μL / min.
2. Espere 1 minuto hasta que los flujos se estabilicen y la fibra MF-COF sintetizada salga del tubo situado en la salida del dispositivo microfluídico. Prepare un sustrato limpio junto a la salida del tubo situado en la salida del dispositivo microfluídico para la impresión directa de fibras MF-COF.
   NOTA: En nuestras investigaciones, 24 mmSe emplearon láminas de cristal de 76 mm para todos los experimentos de impresión.
3. Sujete el tubo conectado a la salida del dispositivo microfluídico de modo que su extremo esté a unos pocos milímetros por encima del cubreobjetos de vidrio. Mueva lentamente el tubo sobre el cubreobjetos de vidrio para facilitar la salida de la fibra MF-COF y evitar la agregación.
4. Una vez que los flujos se estabilizan, levante lentamente el tubo situado a la salida del dispositivo microfluídico aproximadamente a 2-3 cm del cubreobjetos de vidrio para observar una fibra MF-COF independiente y estable.
5. Para continuar con la impresión, vuelva a colocar la salida del tubo hacia la cubreobjetos de vidrio y mueva manualmente el tubo en la superficie para dibujar la estructura 2D o 3D MF-COF deseada.

Resultados

El dispositivo microfluídico utilizado en nuestras investigaciones se fabrica usando un molde de réplica de PDMS convencional ²⁰ e incorpora cuatro canales de entrada microfluídicos que se unen en un microcanal principal. El dispositivo microfluídico final consiste en una capa PDMS estructurada y un cubreobjetos de vidrio utilizados para cerrar los microcanales impresos, como se muestra en la figura 1B .

Discusión

El método sintético basado en microfluidos descrito aquí proporciona un enfoque novedoso y sencillo para la impresión directa de materiales COF sobre superficies. La sıntesis se realiza utilizando un dispositivo microfluídico de una sola capa, compuesto por un chip PDMS microfluídico unido a un cubreobjetos de vidrio. La fabricación del dispositivo microfluídico se puede conseguir mediante la fundición convencional de PDMS contra un molde maestro de silicio y posteriormente unir el PDMS con los microcanales im...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
High resolution film masks	Microlitho, UK	-	Features down to 5um
Silicon wafers	Silicon Materials Inc., Germany	4" Silicon Wafers	Front surface: polished, back surface: etched
Silicone Elastomer KIT (PDMS)	Dow Corning, USA	Sylgard 184	-
Chlorotrimethylsilane	Sigma-Aldrich, Switzerland	386529	≥97%, CAUTION: Handle it only under fume hood.
Biopsy puncher	Miltex GmBH, Germany	33-31A-P/25	1.5 mm
Glass coverslip	Menzel-Glaser, Germany	BB024040SC	24 mm × 40 mm, #5
Plasma generator instrument	Diener	Zepto B	Frequency: 40 kHz and plasma generator power: 0-30 W
PTFE tubing	PKM SA, Switzerland	AWG-TFS-XXX	AWG 20TFS, roll of 100 m
neMESYS Syringe Pumps	Cetoni GmbH, Germany	Low Pressure (290N)	-
Disposable Cup	Semadeni, Switzerland	8323	PS, 200 ml
Plastic Spatula	Semadeni, Switzerland	3340	L × W : 135 mm x 14 mm
Disposable Scalpels	B. Braun, Switzerland	233-5320	Nr. 20
Disposable Syringes	VWR, Switzerland	613-3951	5 ml, Discardit II
Acetic Acid	Sigma-Aldrich, Switzerland	695092-500	>=99.7%, CAUTION: Handle it only under fume hood.
1,3,5-benzenetricarbaldehyde	Aldrich-Fine Chemicals	753491	97%
1,3,5-Tris(4-aminophenyl)benzene	Tokyo Chemical Industry	T2728-5G	>93.0%