합성 및 디스코 틱 지르코늄 인산염의 각질 제거는 콜로이드 액체 크리스탈을 구하는

요약

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.

초록

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.

서문

디스코 틱 콜로이드 점토, 아스 팔텐, 적혈구 및 진주층 형태 자연스럽게 풍부. 폴리머 나노 복합체 ⁽¹⁾ 생체 모방 재료 기능성 ^{멤브레인이,} 디스코 틱 액정 성 시험 ^{(3, 4)가} 디스크 형 콜로이드 nanodisks에 기초하여 개발된다 피커링 에멀젼 안정제를 포함한 많은 설계 시스템의 응용의 범위. 균일 성 및 낮은 분산과 Nanodisks는 단계와 액정의 변환을 공부하는 것이 중요합니다. 지르코늄 인산 (ZrP를)는 잘 정렬 된 층 구조 및 제어 종횡비 (직경 위에 두께)와 합성 nanodisks이다. 따라서, ZrP를 다른 합성 탐사 디스코 틱 액정 시스템의 기본적인 이해를 확립 돕는다.

ZrP를의 구조는 1964 년 ⁵ 클리어하고 Stynes에 의해 밝혀졌다. ZrP를 열수의 층상 결정의 합성 및환류 방법은 일반적으로 ^6,7을 채택하고 있습니다. 환류 방법은 동일한 지속 시간에 대한 작은 결정을 제공하는 동안 열수 방법은 400에서 25 % ⁽⁶⁾ 내에서 1,500 nm의 분산에 이르기까지 크기에 좋은 제어 할 수 있습니다. 마이크로파 가열은 나노 물질 ^8의 합성을위한 유망한 방법으로 입증되었습니다. 그러나, 전자 레인지를 이용한 경로에 따라 ZrP를의 합성을 설명하는 어떤 서류가 없습니다. 사이즈, 종횡비, 및 수열 법에 의한 결정 성장기구를 통해 효과적인 제어는 체계적 기 ^(6)에 의해 연구되었다.

ZrP를 쉽게 수성 현탁액의 단일 층으로 박리 할 수 있고, 박리 ZrP를 잘 쳉의 그룹 ^3,9-13의 액정 재료로서 확립되었다. 지금까지, 다양한 직경 박리 ZrP를의 nanodisks는 다른 종횡비가 큰 ZrP를 낮은 콘에서 I (등방성) -N (네마 틱) 전환을 한 것으로 결론을 연구 한 말작은 ZrP를 ^3에 비해 자기 중심. 네마 틱 액정상의 ​​형성에 분산 ³ 염 ⁽⁹⁾ 및 온도 ^{(10, 11)의} 효과 또한 고려되었다. 또한, 이러한 sematic 액정 상 등의 다른 단계는도 ^{13, 14을} 조사 하였다.

이 글에서, 우리는 콜로이드 ZrP를의 nanodisks 서스펜션의 실험 실현을 보여줍니다. 계층화 ZrP를 결정은 다양한 방법을 통해 합성 한 후, 단층을 수득 nanodisks 수성 매질에서 박리된다. 끝으로,이 시스템에 의해 전시 된 액정 상 전이를 나타낸다. 이러한 디스크의 주목할만한 특징은 직경 비율 두께는 디스크 ^(3)의 크기에 따라 0.05 0.0007의 범위에있는 그들의 높은 이방성 특성이다. 고도의 이방성 단층 nanodisks는 nanodisks의 현탁액에 위상 전환을 연구하는 모델 시스템을 설정합니다.

프로토콜

열수 방법을 사용하여 α-ZrP를 1. 합성

1. 지르 코닐 클로라이드 수화물의 6g _(ZrOCl이 ·이 8H ₂ O) 3.75 ㎖를 150 ㎖의 (DI) 탈 이온수에서 둥근 바닥 플라스크를 녹인다.
2. 격렬한 교반 (DI) 탈 이온수 8.25 ml를 추가하여 다음 단계 1.1에서 제조 된 ZrOCl ₂ 용액에 15 M 인산 (H ₃ PO _4)를 적가의 48 ML을 추가합니다.
3. 80 ml의 부피의 테프론 라이닝 압력 용기에 겔상 혼합물을 수득 붓는다. 스테인레스 스틸 쉘 및 덮개, 압력 플레이트로 이루어지는 수열을 오토 클레이브에 용기를 배치하고 잘 조인다.
4. 24 시간 동안 200 ° C에서 대류 오븐에 열수 오토 클레이브를 놓습니다.
5. 반응 후, 오토 클레이브 수열 주변 냉각하에 실온에서 8 시간 동안 냉각 할 수있다.
6. 2에서 원심 분리기를 사용하여 냉각 후 원심 분리 관에 α-ZrP를 디스크를 수집,10 분 동안 500 XG. 상등액은 부식 반응 인산을 포함하고 있기 때문에 폐기 용기에 액체를 수집 부.
   1. 그 후, 다시 10 분 동안 2,500 XG에서 1 분 원심 분리기에 대한-ZrP를을 α 물 40 ml의 소용돌이를 추가합니다. 산의 모든 씻어되어 있는지 확인하기 위해이 단계를 3 번​​ 반복합니다.
7. 다음 65 ° 8 시간 동안 C와의 오븐에서 건조 ZrP를 물 끈적 끈적한 혼합물 봉과 박격포를 사용하여 분쇄.

역류성 방법에 의한 α-ZrP를 2. 합성

1. 150 ml의 12 M 인산 산 50 ml의 둥근 바닥 플라스크에 · 8H ₂ O ZrOCl ₂ 6g을 섞는다.
2. 단계 2.1에서 제조 한 혼합물을 24 시간 동안 94 ℃에서 오일 조에서 환류한다.
3. 단계 1.6 DI 물과 같은 프로토콜은 다음 세 번 제품을 세척 한 후 8 시간 동안 65 ° C의 오븐에서 건조시켰다.
4. 유봉과 박격포, 주식 F를 사용하여 분말로 건조 부피가 큰 샘플을 갈기이상 사용합니다.

마이크로 웨이브를 이용한 방법에 의한 α-ZrP를 3. 합성

1. 12 M 인산 용액 9 ㎖ 중에 ZrOCl ₂ · 8H2O 1 g을 추가하고, 20 mL의 섬광 바이알에 잘 생성 된 혼합물을 교반한다.
2. 마이크로파 반응기를 위해 특정 된 10 ㎖ 유리 용기에, 상기 혼합물을 5 mL를 붓는다.
3. 150 ° C, 300 psi에서 압력 한계로 설정하고, 반응 온도는 반응이 1 시간 동안 일어날 수.
4. 반응 후, 유리 용기를 약 15 분 동안 냉각 한 후 산 세정 및 α-ZrP를 결정을 건조하는 단계 1.6-1.7에서와 동일한 절차를 수행하겠습니다.

단일 층으로 계층화 된 α-ZrP를 4. 각질 제거

1. 20 mL의 섬광 바이알에 DI 물 10 ㎖로 α-ZrP를 1 g의 분산.
2. 적어도 40 초 동안 그와 소용돌이에 TBAOH (40 중량. %)의 2.2 ML을 추가합니다. TBAOH 1로 유지된다 : ZR의 몰비 주목 한.
3. 1 ~ 2 시간 동안 생성 된 농축 현탁액을 초음파 처리 및 TBA ⁺ 이온과 결정의 완전한 박리의 전체 인터 할 수 있도록 3 일간 둡니다. 임의로, 농축 된 현탁액을 더 박리를 얻는 물 (2 내지 3 배 희석)로 희석 될 수있다.
4. 바닥에 침전 부분적으로 박리 된 결정을 제거하기 위해 1 시간 동안 높은 회전 속도 (2500 XG)에서 박리 된 샘플을 원심 분리기. 또 용기 (ZrP를 박리) 상부 수집하고, 침전은 발견되지 않을 때까지 과정을 반복한다.

결과

그림 1A-C 쇼 각각 수열, 환류, 전자 렌지를 이용한 방법에서 얻은 α-ZrP를 nanodisks의 SEM 이미지. 그것은 α-ZrP를 nanodisks 모양과 합성 조건과 준비 방법에 따라 서로 다른 두께의 육각형 표시하는 것이 관찰되었다. 우리 그룹 ^6에서 이전에보고 된 연구에서 결정 성장 시간 48 시간 상기 들면 디스크의 에지가 선명해질 것을 암시한다. 통상적으로, 환류 법 수...

토론

환류 법에서는 균일 한 직경 및 두께의 α-ZrP를 소형화하기위한 좋은 선택이다. 열수 방법과 유사하게, 환류 방법이 준비 시간에 의해 제한된다. 일반적으로, 결정 성장을위한 긴 시간이 걸린다.

환류 법에 필요한 더 긴 반응 시간은보다 큰 크기 nanodisks 초래할 수있다. 박리 nanodisks의 평균 크기는 동적 광산란 (DLS)에 의해 측정된다. 본 연구에서는 박리 ZrP를 nanodisks의 크기는 19...

자료

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