Polyanilinová nanovlákna - Polyaniline nanofibers

Skenovací elektronový mikroskop (SEM) obraz polyanilinového nanovlákenného filmu.[1]

Polyanilinová nanovlákna jsou vysoce formální formou polyanilin, a polymer skládající se z anilin monomery, které se jeví jako diskrétní dlouhá vlákna se středním průměrem mezi 30 nm a 100 nm. Polyanilin je jedním z nejstarších známých vodivé polymery, známý již více než 150 let.[2] Polyanilin nanovlákna jsou často studovány kvůli jejich potenciálu zlepšit vlastnosti polyanilinu nebo mají další prospěšné vlastnosti díky přidání a nanostruktura na polymer.[2] Vlastnosti, díky nimž je polyanilin užitečný, lze vidět také ve formě nanovláken, jako je snadná syntéza, stabilita prostředí a jednoduché kyselina /základna doping / dedopingová chemie. Tyto a další vlastnosti vedly ke vzniku různých aplikací pro polyanilinová nanovlákna jako pohony, paměťová zařízení, a senzory.

Syntéza

Polymerizační dráhy polyanilinu a polyanilinových nanovláken, stejně jako chemie dopované / dedopované oxidace / redukce, ke které může dojít.

Metody pro polymerizace polyanilinových nanovláken viděných v literatuře zahrnuje zejména [redox | chemická oxidační] polymerace, mezifázová syntéza a metody „rychlého míchání“.[3][4][5][6] Mezi další méně běžné metody patří setí nanovláken, elektrosyntéza, elektrostatické zvlákňování a předformování polymerace ve zředěných anilinových roztocích.[7]

Chemická oxidační polymerace

Chemická oxidační polymerace je tradiční a běžně používaná metoda polymerace anilinu ve velkém množství.[2] Když je anilin smíchán s oxidantem v kyselém roztoku, dojde k polymeraci. Nejdůležitějším parametrem, který je v této metodě regulován pro syntézu polyanilinových nanovláken, je dominance homogenní nukleace nad heterogenní nukleace. Homogenní nukleace popisuje, kdy jsou jádra tvořena spontánně v roztoku, zatímco heterogenní nukleace popisuje, když jsou jádra pěstována na jiných druzích. V raných fázích této polymerace se tvoří pouze nanovlákna, protože pro heterogenní nukleaci nejsou k dispozici žádné heteronukley. Pokud je však reakce nekontrolovaná, začne dominovat heterogenní nukleace, protože polyanilin bude přednostně růst na existujících částicích, což povede k nevratné aglomeraci. Reakci lze provést tak, aby upřednostňovala homogenní nukleaci po celou dobu zvýšením reakční rychlosti, teploty reakce a ponecháním reakce pokračovat bez míchání.[2]

Cesta I ukazuje heterogenní nukleační cestu, kde se tvoří nanovlákna, následovaná sekundárním růstem na drátech, které způsobují aglomeraci. Cesta II ukazuje cestu homogenní nukleace, kde se tvoří pouze nanovlákna.

Průměr polyanilinových nanovláken lze touto metodou řídit volbou kyseliny. Kyselina chlorovodíková produkuje nanovlákna o průměru asi 30 nm, zatímco kyselina kafrsulfonová a kyselina chloristá produkovat průměr 50 nm, respektive 120 nm.[2] Za normálních syntetických metod jsou deriváty polyanilinu, jako jsou ty, které jsou alkyl a fluoro substituované, nevykazují dobře definovaný vláknitý tvar, avšak v přítomnosti anilinu oligomer mohou být syntetizována nanovlákna určitých derivátů.[2] Nejběžnějším oxidantem je peroxodisíran amonný (APS), lze použít různé další. Jedna studie ukazuje použití bijodičnanu draselného (KH (IO3)2) jako oxidant, který tvrdí, že vede k polyanilinovým nanovláknům, která jsou delší, mají vyšší krystalinita, a mít vyšší elektrická vodivost.[8]

Mezifázová syntéza

V mezifázové syntéze dochází k polymeraci na rozhraní mezi vodný a organický vrstva.[4][6] Typická reakce zahrnuje vodný roztok kyseliny a oxidačního činidla a organickou vrstvu anilinu dohromady. Tím se vytvoří reaktivní rozhraní pro polymeraci. Jak polymerace pokračuje, polyanilinová nanovlákna difundují do vodní vrstvy a opouštějí reaktivní rozhraní. Tím se zabrání nadměrnému růstu stávajících drátů, což umožní pokračování homogenní nukleace. Podmínky v mezifázové syntéze lze vyladit, například typ použité kyseliny a použité oxidační činidlo.

Rychlé míchací reakce

Polyanilinová nanovlákna mohou být také syntetizována reakcemi „rychlého míchání“.[6] Tato metoda se pokouší zabránit přerůstání, které by ohrozilo povahu nanovláken polymeru, zastavením polymerace bezprostředně po vytvoření nanovláken. Toho je dosaženo rychlým mícháním monomeru, anilinu a roztoku iniciátoru. Na začátku reakce je iniciátor rychle spotřebován a zcela vyčerpán, když se vytvoří nanovlákna. Bez zbývajícího iniciátoru je syntéza polyanilinu zastavena.

Aplikace

Monolitické ovladače

Polyanilinová nanovlákna byla použita při vytváření monolitický pohony.[9] Mohou být použity v této aplikaci kvůli jejich schopnosti svařovat bleskem.[2] Při vystavení světlo, polyanilin převádí absorbovanou energii přímo na teplo. V polyanilinovém filmu je teplo rozptýleno po celém polymeru. U polyanilinových nanovláken je však teplo zachyceno uvnitř jednotlivých vláken. Pokud je tedy intenzita světla dostatečně velká, způsobí to rychlé zvýšení teploty nanovláken, což způsobí jejich svaření nebo spálení. Při mírné intenzitě blesku se nanovlákna rychle roztaví a vytvoří hladký film. Pomocí této masky lze pomocí této techniky provádět svary ve specifických vzorech. V dostatečně tlustém vzorku nanovláken bude svařena pouze strana vystavená blesku, čímž vznikne asymetrický film, kde jedna strana zůstane neporušená jako nanovlákna, zatímco druhá strana je účinně zesítěný kvůli svařování. Tyto asymetrické filmy prokazují rychlé reverzibilní ovládání v přítomnosti kyselin a zásad ve formě ohýbání a zvlnění. Mezi výhody polyanilinových nanovlákenných asymetrických filmů oproti jiným pohonům patří snadnost syntézy, velký stupeň ohýbání, vzorovatelnost a žádná delaminace. Tyto akční členy by mohly být použity při vývoji mikrotezek, mikroventilů, umělých svalů, chemických senzorů a vzorovaných struktur akčních členů.[9]

Digitální paměťová zařízení

Výzkum ukázal, že polyanilinová nanovlákna lze také použít k vytvoření energeticky nezávislých plastových digitálních paměťových zařízení, když jsou zdobena různými kov, jako zlato, nanočástice.[10] Zlaté nanočástice se pěstují uvnitř dedopovaných polyanilinových nanovláken pomocí redoxní reakce. Mezi dvě elektrody je umístěn plastový kompozitní film a k programování stavů ZAPNUTO-VYPNUTO se používá externí předpětí. Předpokládá se, že spínací mechanismus je způsoben interakcí mezi polyanilinovými nanovlákny a zlatými nanočásticemi, kde se náboj přenáší na nanočástice zlata z polyanilinových nanovláken v důsledku indukované elektrické pole. Přepínání mezi stavy ZAPNUTO-VYPNUTO se ukázalo jako rychlé, s dobami méně než 25 ns. Retenční čas těchto jednoduchých zařízení je v řádu dnů po programování, a zápis-čtení-vymazání cykly byly prokázány.

Aplikace pro chemické snímání

Ukázalo se, že polyanilinová nanovlákna jsou neuvěřitelně úspěšná chemické senzory, protože v mnoha testech fungují lépe než běžné polyanilinové filmy.[11] Tento výkonnostní rozdíl byl přičítán jejich vysoké hodnotě plocha povrchu, pórovitost a malé průměry, které zvyšují difúzi materiálů nanovlákny. Senzory polyanilinových nanovláken fungují při změně odpor. Polyanilinová nanovlákenná fólie je umístěna na elektroda, kde proud protéká. Odpor elektrody se mění při interakci cíle s filmem, což umožňuje detekci cíle.

Jedna studie navrhuje vytvoření vodík plynové senzory využívající polyanilinová nanovlákna.[12] Ukazuje, že jak dopovaná, tak dedopovaná polyanilinová nanovlákna lze použít k detekci plynného vodíku změnami odporu, ale dedopovaná nanovlákna byla stabilnější a měla lepší reprodukovatelnost.

Další studie ukazuje potenciál polyanilinových nanovláken jako NE2 senzory plynu.[13] NE2 plyn působí jako silné oxidační činidlo na emeraldinovou formu polyanilinových nanovláken, což způsobuje změny odporu větší než tři řády při 100 ppm.

Cíle snímání lze rozšířit přidáním materiálů do polyanilinových nanovláken. Jedna studie navrhuje pro detekci polyanilinových nanovlákenných kompozitů s kovovými solemi sirovodík.[14] Sirovodík je slabá kyselina, která je nebezpečná při nízkých ppm, ale polyanilinová nanovlákna mohou poskytnout silnou reakci pouze na silné kyseliny. Soli kovů mohou reagovat s hydrogensíranem za vzniku sraženiny sirníku kovu a silné kyseliny. Kombinací solí kovů a polyanilinových nanovláken lze provést detekci sirovodíku.

Další studie zdobila polyanilinová nanovlákna nanočásticemi zlata k detekci těkavých látek síra sloučeniny vypršela člověk dech.[15] Tyto senzory lze potenciálně použít při různých dechových analýzách a také při diagnostice onemocnění pro nemoci s páchnoucími biomarkerovými plyny.

Vlhkost vzduchu senzory byly také připraveny pomocí polyanilinových nanovláken.[16] Tyto senzory byly připraveny elektrostatickým zvlákňováním a N, N-dimethylformamid roztok polyanilinových nanovláken, poly (vinylbutyral) (PVB) a poly (ethylenoxid) (PEO). Ukázalo se, že tyto senzory mají vysokou hodnotu citlivost, se změnami odporu o tři řády. Senzory dále vykazovaly dobrou linearitu snímání, rychlou odezvu, malou hysteriku a dobrou opakovatelnost.

Reference

  1. ^ Jiu, M.C .; Dai, C.L .; Chan, C.H .; Wu, C.C .; Senzory, 2009, 9 (2), 869–880 ([1] )
  2. ^ A b C d E F G Li, D .; Huang, J .; Kaner, R.B .; Acc. Chem. Res., 2009, 42 (1), 135–145([2] )
  3. ^ Kavitha, B .; kumar, K. S.; Narsimlu, N .; Indian J. Pure Appl. Phys., 2013, 51 (3), 207-209([3] )
  4. ^ A b Huang, J .; Kaner, R.B .; J. Am. Chem. Soc., 2004, 126 (3), 851–855([4] )
  5. ^ Huang, J .; Virji, S .; Weiller, B.H .; Kaner, R.B .; J. Am. Chem. Soc., 2003, 125 (2), 314–315([5] )
  6. ^ A b C Huang, J .; Pure Appl. Chem., 2006, 78 (1), 15-27([6] )
  7. ^ Chiou, N.R .; Epstein, A.J .; Adv. Mater., 2005, 17, 1679-1683([7] )
  8. ^ Rahy, A .; Yang, D.J .; Mater. Lett., 2008, 62, 4311-4314([8] )
  9. ^ A b Baker, CO; Shedd, B .; Innis, P.C .; Whitten, P.G .; Spinks, G.M .; Wallace, G.G .; Kaner, R.B .; Adv. Mater., 2008, 20, 155-158([9] )
  10. ^ Tseng, R.J .; Huang, J .; Ouyang, J .; Kaner, R.B .; Yang, Y .; Nano Lett., 2005, 5 (6), 1077–1080([10] )
  11. ^ Virji, S .; Huang, J .; Kaner, R.B .; Weiller, B.H .; Nano Lett., 2004, 4 (3), 491–496([11] )
  12. ^ Sadek, A.Z .; Wlodarski, W .; Kalantar-Zadeh, K .; Baker, C .; Kaner, R.B .; Sens. Aktuátory A, 2007, 139, 53-57([12] )
  13. ^ Yan, X.B .; Han, Z.J .; Yang, Y .; Tay, B.K .; Sens. Pohony B, 2007, 123, 107-113([13] )
  14. ^ Virji, S .; Fowler, J.D .; Baker, CO; Huang, J .; Kaner, R.B .; Weiller, B.H .; Malý, 2005, 1 (6), 624-627([14] )
  15. ^ Liu, C .; Hayashi, K .; Toko, K .; Sens. Actuators B, 2012, 161, 504-509 ([15] )
  16. ^ Lin, Q .; Li, Y .; Yang, M .; Sens. Actuators B, 2012, 161, 967-972 ([16] )

Viz také