JoVE Logo
АВТОРЫ
СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Войдите в систему

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

В этой статье

  • Резюме
  • Аннотация
  • Введение
  • протокол
  • Результаты
  • Обсуждение
  • Раскрытие информации
  • Благодарности
  • Материалы
  • Ссылки
  • Перепечатки и разрешения

Резюме

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.

Аннотация

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.

Введение

Дискотического коллоидов естественно обильные в виде глины, асфальтенов, красных кровяных телец, и перламутра. Диапазон применения во многих инженерных систем, в том числе полимерных нанокомпозитов 1, биомиметические материалов, функциональные мембраны 2, дискотической исследования жидких кристаллов 3 и стабилизаторов эмульсии Пикеринга 4 разработаны на основе дискотической коллоидных nanodisks. Nanodisks с равномерностью и низкой полидисперсности имеет важное значение для изучения фаз и превращения жидких кристаллов. Цирконий фосфат (ZrP) представляет собой синтетический nanodisks с хорошо упорядоченной слоистой структурой и регулируемым соотношением сторон (толщиной более диаметра). Таким образом, исследование различных синтеза ZrP помогает установить фундаментальное понимание дискотического системы жидких кристаллов.

Структура ZrP была выяснена Клеарфилде и Stynes ​​в 1964 году 5. Для синтеза слоистых кристаллов ПРЗ, гидротермальных ирефлюкс методы, как правило , принимается 6,7. Гидротермальный метод дает хороший контроль над размером в диапазоне от 400 до 1500 нм и полидисперсностью в пределах 25% 6, в то время как метод рефлюкс дает меньшие кристаллы за то же время продолжительность. Микроволновая печь нагрева было доказано, что перспективным методом синтеза наноматериалов 8. Тем не менее, нет никаких документов, описывающих синтез ZrP основанный на микроволновым маршруте. Эффективный контроль над размером, соотношение сторон, и механизм роста кристаллов методом гидротермального систематически изучали нашей группой 6.

ZrP может быть легко отслоилась в монослоев в водных суспензий, и вспученного ZrP были также созданы в качестве жидких кристаллических материалов в группе Чэн 3,9-13. До сих пор, расслоенные ZrP nanodisks с различными диаметрами, скажем, разные соотношения сторон, были изучены к выводу, что больше ZrP имел I (изотропным) -N (нематик) перехода на более низком концентровка по сравнению с меньшим ZrP 3. Были также рассмотрены эффекты полидисперсности 3, соль 9 и температура 10,11 на формирование нематической жидкокристаллической фазы. Более того, другие фазы, такие как Sematic жидкокристаллической фазы, которые были исследованы, а 13,14.

В этой статье мы покажем экспериментальную реализацию такой коллоидной ZrP nanodisks суспензии. Слоистые кристаллы ZrP синтезируются с помощью различных методов, а затем отслаивается в водных средах для получения однослойных nanodisks. В конце концов, мы показываем жидкокристаллические фазовые переходы, демонстрируемые этой системы. Примечательным аспектом этих дисков является их сильно анизотропными характер , что отношение толщины к диаметру находится в диапазоне от 0,0007 до 0,05 , в зависимости от размера дисков 3. Сильно анизотропные однослойные nanodisks создать модельную систему для изучения фазовых переходов в суспензии nanodisks.

протокол

1. Синтез альфа-ZrP Использование гидротермальный метод

  1. Растворите 6 г октагидрата цирконилхлорида (ZrOCl 2 · 8H 2 O) в 3,75 мл деионизованной (ДИ) воды в 150 мл круглодонную колбу.
  2. Добавить 48 мл 15 М фосфорной кислоты (H 3 PO 4) , по каплям к раствору ZrOCl 2 , полученного на стадии 1.1 , с последующим добавлением 8,25 мл деионизованной (ДИ) воды при интенсивном перемешивании.
  3. Налейте в результате гелеобразную смесь в тефлоном под давлением сосуд объемом 80 мл. Поместите сосуд в гидротермальной автоклав, состоящий из оболочки из нержавеющей стали и крышкой, нажимной диск, а затем затянуть хорошо.
  4. Поместите гидротермальный автоклав в конвекционной печи при 200 ° С в течение 24 ч.
  5. После завершения реакции, позволяют гидротермальный автоклав остыть 8 ч до комнатной температуры при атмосферном охлаждении.
  6. Соберите альфа-ZrP дисков в центрифужные пробирки после охлаждения с помощью центрифуги на 2,500 мкг в течение 10 мин. Собирают жидкую часть в контейнер для отходов, так как надосадочную жидкость содержит непрореагировавший фосфорную кислоту, которая вызывает коррозию.
    1. Затем добавляют 40 мл воды к альфа-ZRP, вортексе в течение 1 мин и центрифугируют при 2500 х г в течение 10 мин еще раз. Повторите этот шаг 3 раза, чтобы убедиться, что вся кислота вымывается.
  7. Сухие ZRP-вода липкий смесь в печи при температуре 65 ° С в течение 8 часов, а затем измельчить его с помощью ступки и пестика.

2. Синтез альфа-ZrP по методу рефлюксной

  1. Смешайте 6 г ZrOCl 2 · 8H 2 O с 50 мл 12 М фосфатного кислоты в 150 мл круглодонную колбу.
  2. Смесь полученного на стадии 2.1 рефлюкс в масляной бане при 94 ° С в течение 24 ч.
  3. Промыть продукт с деионизированной водой три раза ниже того же протокола на шаге 1.6, а затем сушат в сушильном шкафу при температуре 65 ° С в течение 8 часов.
  4. Измельчить высушенный образец громоздкий в порошок с помощью ступки и пестика, и запаса пили последующего использования.

3. Синтез альфа-ZrP с помощью СВЧ-полуавтоматическим методом

  1. Добавляют 1 г ZrOCl 2 · 8H 2 O в 9 мл раствора 12 М фосфорной кислоты, и перемешивают полученную смесь хорошо в сцинтилл ционный флакон на 20 мл.
  2. Налейте 5 мл указанной выше смеси в стеклянный сосуд объемом 10 мл, указанного для микроволнового реактора.
  3. Заданное значение температуры реакции при 150 ° С, предел давления при 300 фунтов на квадратный дюйм и оставляют реакционную смесь происходить в течение 1 часа.
  4. После завершения реакции, пусть стеклянный сосуд остыть в течение приблизительно 15 мин, а затем следуют той же процедуре, что и на этапах 1.6-1.7 для кислотной промывки и сушки альфа-ZRP кристаллов.

4. Отслоение Layered альфа-ZrP в монослоев

  1. Дисперсные 1 г а-ZrP в 10 мл деионизированной воды в сцинтилл ционный флакон на 20 мл.
  2. Добавить 2,2 мл TBAOH (40 мас.%) К нему и вихре в течение по крайней мере, на 40 сек. Обратите внимание на то, что молярное отношение Zr: TBAOH хранится как 1: 1.
  3. Разрушать ультразвуком в результате концентрированной суспензии в течение 1-2 ч и оставляют на 3 -х дней , чтобы обеспечить полный интеркаляцию TBA + ионов и полного отслоения кристаллов. По желанию, концентрированная суспензия может быть разбавлена ​​(от 2 до 3 раз разведение) с водой для получения лучшего отшелушивания.
  4. Центрифуга слущенных проб с высокой скоростью вращения (2500 XG) в течение 1 ч, чтобы удалить частично расслоенной кристаллы урегулирована в нижней части. Соберите верхнюю часть (расслоенный ZrP) в другом контейнере, и повторите процедуру, пока осадок не будет найден.

Результаты

На рисунке 1а-с показывают СЭМ изображения альфа-ZrP nanodisks , полученных из гидротермальных, рефлюкс, и с помощью микроволн методов соответственно. Было обнаружено, что альфа-ZRP nanodisks показывают шестиугольную форму и разной толщины, в зависимости от условий синте?...

Обсуждение

Метод рефлюкс является хорошим вариантом для создания меньшего размера альфа-ZrP с одинаковым диаметром и толщиной. Подобно гидротермальным методом, метод рефлюкс ограничена временем подготовки. В общем, это занимает больше времени для кристаллов расти.

Чем дольше врем?...

Раскрытие информации

There is nothing to disclose.

Благодарности

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.

Материалы

NameCompanyCatalog NumberComments
Material
Zirconyl Chloride OctahydrateFischer Scientific (Acros Organics)AC20837-500098% +
o-Phosphoric AcidFischer ScientificA242-1≥ 85%
Tetra Butyl Ammonium HydroxideAcros Organics (Acros Organics)AC17661002540% wt. (1.5 M)
Equipment
Reaction OvenFischer ScientificCL2 centrifugeIsotemperature Oven (Temperature up to 350 °C)
CentrifugeThermo ScientificNot AvailableRotation Speed: 100 - 4,000 rpm
Microwave ReactorCEM CorporationDiscover and Explorer SPTemp. up to 300 °C, power up to 300 W, pressure up to 30 bar

Ссылки

  1. Usuki, A., Hasegawa, N., Kato, M. Polymer-clay nanocomposites. Adv Polym. 179, 135-195 (2005).
  2. Varoon, K., et al. Dispersible Exfoliated Zeolite Nanosheets and Their Application as a Selective Membrane. Science. 334, 72-75 (2011).
  3. Mejia, A. F., et al. Aspect ratio and polydispersity dependence of isotropic-nematic transition in discotic suspensions. Phys. Rev. E. 85, 061708 (2012).
  4. Bon, S. A. F., Colver, P. J. Pickering miniemulsion polymerization using Laponite clay as a stabilizer. Langmuir. 23, 8316-8322 (2007).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Wang, X., et al. Thermo-sensitive discotic colloidal liquid crystals. Soft Matter. 10, 7692-7695 (2014).
  11. Li, H., Wang, X., Chen, Y., Cheng, Z. Temperature-dependent isotropic-to-nematic of charged nanoplates. Phys. Rev. E. 90, 020504 (2014).
  12. Chen, M., et al. Observation of isotropic-isotropic demixing in colloidal platelet-sphere mixtures. Soft Matter. 11 (28), 5775-5779 (2015).
  13. 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).
  14. Wong, M., et al. Large-scale self-assembled zirconium phosphate smectic layers via a simple spray-coating process. Nat. Commun. 5, 3589 (2014).
  15. Diaz, A., et al. Zirconium phosphate nano-platelets: a novel platform for drug delivery in cancer therapy. Chem. Commun. 48, 1754-1756 (2012).
  16. 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).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи

Запросить разрешение

Смотреть дополнительные статьи

111

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

РЕКОМЕНДОВАТЬ БИБЛИОТЕКЕ

НОВОСТИ JoVE

Исследования

Образование

АВТОРЫ

Библиотекарь

О JoVE

Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены