Гибридный материал - Hybrid material

Гибридные материалы находятся композиты состоящий из двух составляющих на нанометр или же молекулярный уровень. Обычно одно из этих соединений неорганический а другой органический в природе. Таким образом, они отличаются от традиционных композитов, в которых компоненты находятся на макроскопических (микрометр к миллиметр ) уровень. Смешивание в микроскопическом масштабе приводит к более однородному материалу, который либо демонстрирует характеристики, чем два исходных. фазы или даже новые свойства.

Вступление

Гибридные материалы в природе

Многие природные материалы состоят из неорганических и органических строительных блоков, распределенных в наномасштабе. В большинстве случаев неорганическая часть обеспечивает механическую прочность и общую структуру естественным объектам, в то время как органическая часть обеспечивает связь между неорганическими строительными блоками и / или мягкой тканью. Типичные примеры таких материалов: кость, или же перламутр.

Разработка гибридных материалов

Первыми гибридными материалами стали краски из неорганических и органических компонентов, которые использовались тысячи лет назад. Резинка является примером использования неорганических материалов в качестве наполнителей для органических полимеры. В золь – гель процесс Разработанная в 1930-х годах, была одной из основных движущих сил того, что превратилось в широкую область неорганических-органических гибридных материалов.

Классификация

Гибридные материалы можно классифицировать на основе возможных взаимодействий, связывающих неорганические и органические соединения.[1] I класс гибридные материалы - это те, которые демонстрируют слабое взаимодействие между двумя фазами, например ван дер Ваальс, водородная связь или слабый электростатический взаимодействия. II класс гибридные материалы - это материалы, которые демонстрируют сильные химические взаимодействия между компонентами, такими как ковалентные связи.

Структурные свойства также можно использовать для различения различных гибридных материалов. Органический часть содержащие функциональную группу, которая позволяет присоединяться к неорганической сети, например группа триалкоксисилана, может действовать как модификатор сети потому что в конечной структуре неорганическая сеть модифицируется только органической группой. Фенилтриалкоксисиланы являются примером таких соединений; они модифицируют кремнеземную сетку в золь-гелевом процессе посредством реакции триалкоксисилановой группы без добавления дополнительных функциональных групп, предназначенных для проведения дальнейших химических реакций в образующийся материал. Если включена реактивная функциональная группа, система называется функционализатор сети. Иначе обстоит дело, если две или три из таких якорных групп модифицируют органический сегмент; это приводит к материалам, в которых неорганическая группа впоследствии становится неотъемлемой частью гибридной сети. Последний тип системы известен как строитель сети

Смеси образуются, если не существует сильного химического взаимодействия между неорганическими и органическими строительными блоками. Одним из примеров такого материала является комбинация неорганических кластеров или частиц с органическими полимерами, в которых отсутствует сильное (например, ковалентное) взаимодействие между компонентами. В этом случае образуется материал, который состоит, например, из органического полимера с захваченными дискретными неорганическими фрагментами, в котором, в зависимости от функциональности компонентов, например, происходит слабое сшивание захваченными неорганическими звеньями посредством физических взаимодействий или неорганические компоненты захватываются в сшитой полимерной матрице. Если неорганическая и органическая сети взаимопроникают друг в друга без сильных химических взаимодействий, образуются так называемые взаимопроникающие сети (IPN), что, например, имеет место, если золь-гель материал образуется в присутствии органического полимера или наоборот. Оба описанных материала относятся к гибридам I класса. Гибриды класса II образуются, когда дискретные неорганические строительные блоки, например кластеры ковалентно связаны с органическими полимерами или неорганические и органические полимеры ковалентно связаны друг с другом.

Различие между нанокомпозитами и гибридными материалами

Период, термин нанокомпозит используется, если сочетание органических и неорганических структурных единиц дает материал с композитными свойствами. То есть исходные свойства отдельных органических и неорганических компонентов все еще присутствуют в композите и не изменяются при смешивании этих материалов. Однако если интимная смесь проявляет новое свойство, то материал становится гибридом. Макроскопическим примером является мул, который больше подходит для тяжелой работы, чем любой из его родителей, лошадь или осел. Размер отдельных компонентов и характер их взаимодействия (ковалентный, электростатический и т. Д.) Не входят в определение гибридного материала.[2]

Преимущества гибридных материалов перед традиционными композитами

  • Неорганические кластеры или наночастицы с определенными оптическими, электронными или магнитными свойствами могут быть включены в органические полимерные матрицы.
  • В отличие от чистых неорганических материалов в твердом состоянии, которые часто требуют высокотемпературной обработки для их обработки, гибридные материалы демонстрируют более полимерную обработку либо из-за их большого содержания органических веществ, либо из-за образования сшитых неорганических сеток из низкомолекулярных предшественников, как и в реакциях полимеризации.
  • Можно избежать светорассеяния в гомогенном гибридном материале и, следовательно, достичь оптической прозрачности полученных гибридных материалов и нанокомпозитов.

Синтез

Для формирования гибридных материалов могут использоваться два разных подхода: либо применяются четко определенные предварительно отформованные строительные блоки, которые взаимодействуют друг с другом с образованием конечного гибридного материала, в котором предшественники все еще хотя бы частично сохраняют свою первоначальную целостность, либо один или оба структурных элемента единицы образуются из предшественников, которые трансформируются в новую (сетевую) структуру. Важно, чтобы граница раздела между неорганическими и органическими материалами была адаптирована для преодоления серьезных проблем при получении гибридных материалов. Для их приготовления могут использоваться различные строительные блоки и подходы, и они должны быть адаптированы для преодоления различий между неорганическими и органическими материалами.

Строительный подход

Строительные блоки, по крайней мере, частично сохраняют свою молекулярную целостность на протяжении всего формирования материала, что означает, что структурные единицы, которые присутствуют в этих источниках для образования материалов, также могут быть обнаружены в конечном материале. В то же время типичные свойства этих строительных блоков обычно сохраняются при формировании матрицы, чего не происходит, если исходные материалы превращаются в новые материалы. Типичными примерами таких четко определенных строительных блоков являются модифицированные неорганические кластеры или наночастицы с присоединенными реакционноспособными органическими группами.

Кластерные соединения часто состоят по крайней мере из одной функциональной группы, которая позволяет взаимодействовать с органической матрицей, например, путем сополимеризации. В зависимости от количества групп, которые могут взаимодействовать, эти строительные блоки могут модифицировать органическую матрицу (одна функциональная группа) или образовывать частично или полностью сшитые материалы (более одной группы). Например, две реакционноспособные группы могут приводить к образованию цепочечных структур. Если строительные блоки содержат по крайней мере три реакционноспособные группы, их можно использовать без дополнительных молекул для образования сшитого материала.

Помимо упомянутых молекулярных строительных блоков, наноразмерные строительные блоки, такие как частицы или наностержни, также могут быть использованы для образования нанокомпозитов. Подход строительных блоков имеет одно большое преимущество по сравнению с формированием неорганических или органических структур in situ: поскольку по крайней мере одна структурная единица (строительный блок) четко определена и обычно не претерпевает значительных структурных изменений во время формирования матрицы, лучше возможны предсказания структуры и свойств. Кроме того, строительные блоки могут быть спроектированы таким образом, чтобы обеспечивать наилучшие характеристики при формировании материалов, например, хорошую растворимость неорганических соединений в органических мономерах с помощью поверхностных групп, имеющих полярность, аналогичную полярности мономеров.

В последние годы многие строительные блоки были синтезированы и использованы для приготовления гибридных материалов. Химики могут создавать эти соединения в молекулярном масштабе с помощью очень сложных методов, и полученные системы используются для образования функциональных гибридных материалов. Многие будущие приложения, в частности, в нанотехнологиях, сосредоточены на восходящем подходе, при котором сложные структуры иерархически формируются из этих небольших строительных блоков. Эта идея также является одной из движущих сил подхода к использованию строительных блоков в гибридных материалах.

Формирование компонентов на месте

Формирование гибридных материалов in situ основано на химическом превращении прекурсоров, используемых в процессе изготовления материалов. Обычно это происходит, если образуются органические полимеры, но также и в случае, если для получения неорганического компонента применяется золь-гель процесс. В этих случаях четко определенные дискретные молекулы преобразуются в многомерные структуры, которые часто проявляют совершенно отличные свойства от исходных предшественников. Обычно применяются простые, коммерчески доступные молекулы, и внутренняя структура конечного материала определяется составом этих предшественников, а также условиями реакции. Следовательно, контроль над последними является важным шагом в этом процессе. Изменение одного параметра часто может привести к получению двух очень разных материалов. Если, например, неорганическая разновидность представляет собой производное диоксида кремния, образованное золь-гель процессом, переход от основного катализа к кислотному имеет большое значение, поскольку основной катализ приводит к более микроструктуре, подобной частицам, в то время как кислотный катализ приводит к полимерному катализу. как микроструктура. Следовательно, конечные характеристики производных материалов сильно зависят от их обработки и ее оптимизации.

Формирование неорганических материалов на месте

Многие классические неорганические твердые материалы образуются с использованием твердых предшественников и высокотемпературных процессов, которые часто несовместимы с присутствием органических групп, поскольку они разлагаются при повышенных температурах. Следовательно, эти высокотемпературные процессы не подходят для образования гибридных материалов in situ. Используемые реакции должны иметь больше характер образования классических ковалентных связей в растворах. Одним из наиболее известных процессов, отвечающих этим требованиям, является золь-гель процесс. Однако такие довольно низкотемпературные процессы часто приводят не к термодинамически наиболее стабильной структуре, а к кинетическим продуктам, что имеет некоторые последствия для получаемых структур. Например, неорганические материалы низкотемпературного происхождения часто аморфный или же кристалличность наблюдается только на очень маленьком масштабе длины, то есть в нанометровом диапазоне. Примером последнего является образование металлических наночастиц в органических или неорганических матрицах путем восстановления солей металлов или металлоорганических предшественников.

Некоторые методы образования неорганических материалов in situ:

Образование органических полимеров в присутствии предварительно сформированных неорганических материалов

Если органическая полимеризация происходит в присутствии неорганического материала с образованием гибридного материала, необходимо различать несколько возможностей для преодоления несовместимости двух видов. Неорганический материал может не иметь функционализации поверхности, кроме поверхности голого материала; он может быть модифицирован нереакционноспособными органическими группами (например, алкильными цепями); или он может содержать реактивные поверхностные группы, такие как полимеризуемые функциональные группы. В зависимости от этих предпосылок материал может быть предварительно обработан, например, чистая неорганическая поверхность может быть обработана поверхностно-активными веществами или силановыми связующими агентами, чтобы сделать ее совместимой с органическими мономерами, или могут быть добавлены функциональные мономеры, которые взаимодействуют с поверхностью неорганического материала. Если неорганический компонент имеет нереакционноспособные органические группы, прикрепленные к его поверхности, и он может быть растворен в мономере, который впоследствии полимеризуется, полученный материал после органической полимеризации представляет собой смесь. В этом случае неорганический компонент слабо или совсем не взаимодействует с органическим полимером; следовательно, образуется материал класса I. Однородные материалы в этом случае получаются только в том случае, если предотвращается агломерация неорганических компонентов в органической среде. Этого можно достичь, если взаимодействия между неорганическими компонентами и мономерами будут лучше или, по крайней мере, такими же, как между неорганическими компонентами. Однако, если не образуются сильные химические взаимодействия, долговременная стабильность некогда однородного материала сомнительна из-за эффектов диффузии в полученном гибридном материале. Чем сильнее соответствующее взаимодействие между компонентами, тем стабильнее будет конечный материал. Наиболее сильное взаимодействие достигается, если образуются материалы класса II, например, с ковалентным взаимодействием.

Гибридные материалы за счет одновременного образования обоих компонентов

Одновременное образование неорганических и органических полимеров может привести к наиболее однородному типу взаимопроникающих сетей. Обычно прекурсоры для золь-гель-процесса смешивают с мономерами для органической полимеризации, и оба процесса проводят одновременно с растворителем или без него. При использовании этого метода три процесса конкурируют друг с другом:

(а) кинетика гидролиза и конденсации с образованием неорганической фазы,
(б) кинетика полимеризации органической фазы, и
(c) термодинамика разделения фаз между двумя фазами.

Подбирая кинетику двух полимеризаций таким образом, чтобы они происходили одновременно и достаточно быстро, можно избежать или минимизировать разделение фаз. Дополнительные параметры, такие как привлекательные взаимодействия между двумя фрагментами, как описано выше, также могут использоваться, чтобы избежать разделения фаз.

Одной из проблем, которая также возникает из-за одновременного образования обеих сеток, является чувствительность многих процессов органической полимеризации к условиям золь-гель или составу образующихся материалов. Например, ионная полимеризация часто взаимодействует с предшественниками или промежуточными продуктами, образованными в золь-гель процессе. Поэтому они обычно не применяются в этих реакциях.

Приложения

Рекомендации

  1. ^ Супрамолекулярная химия органо-неорганических гибридных материалов. , Кнут Рурак, Рамон Мартинес-Манес, ред., Wiley 2010 ISBN  978-0-470-37621-8 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/book/10.1002/9780470552704
  2. ^ "Дж. Л. Дриско, К. Санчес, Гибридизация в материаловедении - эволюция, текущее состояние и перспективы на будущее, Eur. J. Inorg. Chem. 2012, 5097–5105". Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)