Нановолокна полианилиновые - Polyaniline nanofibers

Растровый электронный микроскоп (СЭМ) изображение пленки из полианилиновых нановолокон.[1]

Полианилиновые нановолокна являются формой высокого аспекта полианилин, а полимер состоящий из анилин мономеры, которые выглядят как отдельные длинные нити со средним диаметром от 30 до 100 нм. Полианилин - один из старейших известных проводящие полимеры, известная более 150 лет.[2] Полианилин нановолокна часто изучаются на предмет их способности улучшать свойства полианилина или обладать дополнительными полезными свойствами за счет добавления наноструктура к полимеру.[2] Свойства, которые делают полианилин полезным, можно увидеть и в форме нановолокон, таких как легкий синтез, устойчивость к окружающей среде и простота кислота /база допинг / дедопинговая химия. Эти и другие свойства привели к формированию различных областей применения полианилиновых нановолокон в качестве приводы, запоминающие устройства, и датчики.

Синтез

Пути полимеризации полианилиновых и полианилиновых нановолокон, а также возможная химия легированного / дедопированного окисления / восстановления.

Методы для полимеризация полианилиновых нановолокон, описанных в литературе, в первую очередь включают [окислительно-восстановительную | химическую окислительную] полимеризацию, межфазный синтез, и методы «быстрого перемешивания».[3][4][5][6] Другие менее распространенные методы включают: посев из нановолокна, электросинтез, электроспиннинг, и предварительная полимеризация в разбавленных растворах анилина.[7]

Химическая окислительная полимеризация

Химическая окислительная полимеризация - это традиционный и широко используемый метод полимеризации анилина в больших количествах.[2] Когда анилин смешивают с окислителем в кислотном растворе, происходит полимеризация. Наиболее важным параметром, который необходимо контролировать в этом методе синтеза полианилиновых нановолокон, является доминирование однородный зародышеобразование над гетерогенными зарождение. Гомогенное зародышеобразование описывает, когда зародыши образуются спонтанно в растворе, в то время как гетерогенное зародышеобразование описывает, когда зародыши растут на других частицах. На ранних стадиях этой полимеризации образуются только нановолокна, поскольку нет гетероядер, доступных для гетерогенной нуклеации. Однако, если реакцию оставить неконтролируемой, гетерогенное зародышеобразование начнет преобладать, поскольку полианилин будет преимущественно расти на существующих частицах, что приведет к необратимой агломерации. Реакция может быть проведена так, чтобы способствовать гомогенному зародышеобразованию на всем протяжении путем увеличения скорости реакции, температуры реакции и обеспечения возможности протекания реакции без перемешивания.[2]

Маршрут I показывает путь гетерогенного зародышеобразования, при котором образуются нановолокна, за которыми следует вторичный рост на проволоках, вызывающий агломерацию. Маршрут II показывает путь гомогенного зародышеобразования, при котором образуются только нановолокна.

С помощью этого метода можно контролировать диаметр полианилиновых нановолокон, выбирая кислоту. Соляная кислота производит нановолокна диаметром около 30 нм, а камфорсульфоновая кислота и хлорная кислота производят диаметр 50 нм и 120 нм соответственно.[2] При обычных методах синтеза производные полианилина, например, алкил и фтор замещенные, не имеют четко выраженной волокнистой формы, однако в присутствии анилина олигомер нановолокна некоторых производных могут быть синтезированы.[2] Хотя наиболее распространенным окислителем является пероксидисульфат аммония (APS), можно использовать различные другие. Одно исследование показывает использование биодата калия (KH (IO3)2) в качестве окислителя, утверждая, что он приводит к образованию более длинных полианилиновых нановолокон и более высоких кристалличность, и выше электрическая проводимость.[8]

Межфазный синтез

При межфазном синтезе полимеризация происходит на границе раздела между водный и органический слой.[4][6] Типичная реакция включает водный раствор кислоты и окислителя и органический слой анилина вместе. Это создает реактивную поверхность раздела для протекания полимеризации. По мере протекания полимеризации нановолокна полианилина будут диффундировать в водный слой, оставляя реакционную границу раздела. Это предотвращает чрезмерный рост существующих проволок, позволяя продолжить гомогенное зародышеобразование. Условия межфазного синтеза можно регулировать, например, тип используемой кислоты, а также используемый окислитель.

Реакции быстрого перемешивания

Нановолокна полианилина также можно синтезировать с помощью реакций «быстрого перемешивания».[6] Этот метод пытается предотвратить чрезмерный рост, который может поставить под угрозу нановолоконную природу полимера, путем остановки полимеризации сразу после образования нановолокон. Это достигается за счет быстрого смешивания мономера, анилина и раствора инициатора. В начале реакции инициатор быстро расходуется и полностью истощается, когда образуются нановолокна. Без остатка инициатора синтез полианилина останавливается.

Приложения

Монолитные приводы

Полианилиновые нановолокна были использованы при создании монолитный приводы.[9] Их можно использовать в этом приложении благодаря их способности свариваться оплавлением.[2] При воздействии свет, полианилин преобразует поглощенную энергию непосредственно в тепло. В полианилиновой пленке тепло распределено по полимеру. Однако в полианилиновых нановолокнах тепло удерживается внутри отдельных волокон. Следовательно, если интенсивность света достаточно велика, это приведет к быстрому повышению температуры нановолокон, что приведет к их свариванию или возгоранию. При умеренной интенсивности вспышки нановолокна будут быстро плавиться с образованием гладкой пленки. Используя маску, можно сделать сварные швы по определенным рисункам с использованием этой техники. В достаточно толстом образце нановолокон будет свариваться только сторона, подверженная воздействию вспышки, создавая асимметричную пленку, в которой одна сторона остается неповрежденной как нановолокна, а другая - эффективно. сшитый за счет сварки. Эти асимметричные пленки демонстрируют быстрое обратимое срабатывание в присутствии кислот и оснований в форме изгиба и скручивания. Преимущества асимметричных пленок из полианилиновых нановолокон по сравнению с другими исполнительными механизмами включают простоту синтеза, большую степень изгиба, возможность формирования рисунка и отсутствие расслоения. Эти исполнительные механизмы могут быть использованы при разработке микропинцетов, микроклапанов, искусственных мышц, химических датчиков и структур исполнительных механизмов с рисунком.[9]

Устройства цифровой памяти

Исследования показали, что полианилиновые нановолокна также могут быть использованы для создания энергонезависимых пластиковых цифровых запоминающих устройств, украшенных различными материалами. металл, такие как золото, наночастицы.[10] Золотые наночастицы выращиваются внутри нановолокон из дедопированного полианилина с использованием окислительно-восстановительной реакции. Пластиковая композитная пленка помещается между двумя электродами, а внешнее смещение используется для программирования состояний ВКЛ-ВЫКЛ. Считается, что механизм переключения вызван взаимодействием между нановолокнами полианилина и наночастицами золота, при котором заряд переносится на наночастицы золота от нановолокон полианилина из-за индуцированного электрическое поле. Переключение между состояниями ВКЛ-ВЫКЛ оказалось быстрым, со временем менее 25 нс. Срок хранения этих простых устройств составляет несколько дней после программирование, и запись-чтение-стирание циклы были продемонстрированы.

Приложения химического зондирования

Нановолокна полианилина оказались невероятно успешными в качестве химические датчики, поскольку они показывают лучшие результаты, чем обычные полианилиновые пленки в многочисленных тестах.[11] Эта разница в производительности объясняется их высоким площадь поверхности, пористость и малые диаметры, которые увеличивают диффузию материалов через нановолокна. Датчики из полианилинового нановолокна работают за счет изменения сопротивление. Пленка из полианилинового нановолокна помещается на электрод, где текущий протекает через. Сопротивление электрода изменяется при взаимодействии мишени с пленкой, что позволяет обнаружить цель.

Одно исследование предлагает создание водород газовые сенсоры на основе полианилиновых нановолокон.[12] Это показывает, что как легированные, так и дедопированные полианилиновые нановолокна могут использоваться для обнаружения газообразного водорода по изменениям сопротивления, но дедопированные нановолокна были более стабильными и имели лучшую воспроизводимость.

Другое исследование показывает потенциал полианилиновых нановолокон как Нет2 датчики газа.[13] Нет2 Газ действует как сильный окислитель изумрудной формы полианилиновых нановолокон, что вызывает изменения сопротивления более чем на три порядка величины при 100 ppm.

Чувствительные мишени можно расширить за счет добавления материалов к полианилиновым нановолокнам. Одно исследование предлагает композиты из полианилиновых нановолокон с солями металлов для обнаружения сероводород.[14] Сероводород - это слабая кислота, которая опасна при низких значениях ppm, но полианилиновые нановолокна могут дать устойчивый ответ только на сильные кислоты. Соли металлов могут реагировать с гидросульфатом с образованием осадка сульфида металла и сильной кислоты. Объединив соли металлов и нановолокна полианилина, можно обнаружить сероводород.

Другое исследование украсило полианилиновые нановолокна наночастицами золота для обнаружения летучих сера соединения с истекшим сроком годности человек дыхание.[15] Эти датчики потенциально могут использоваться в различных анализах дыхания, а также в диагностике заболеваний болезни с газами-биомаркерами неприятного запаха.

Влажность сенсоры также были изготовлены с использованием полианилиновых нановолокон.[16] Эти датчики были изготовлены методом электроспиннинга N, N-диметилформамид раствор нановолокон полианилина, поли (винилбутираль) (ПВБ), и поли (этиленоксид) (PEO). Было показано, что эти датчики имеют высокий чувствительность, с изменением сопротивления на три порядка. Кроме того, датчики показали хорошую линейность обнаружения, быстрый отклик, небольшую истерику и хорошую повторяемость.

использованная литература

  1. ^ Jiu, M.C .; Dai, C.L .; Chan, C.H .; Wu, C.C .; Датчики, 2009, 9 (2), 869–880 ([1] )
  2. ^ а б c d е ж г Li, D .; Huang, J .; Kaner, R.B .; Соотв. Chem. Res., 2009, 42 (1), 135–145([2] )
  3. ^ Kavitha, B .; kumar, K.S .; Нарсимлу, Н .; Индийский J. Pure Appl. Phys., 2013, 51 (3), 207-209([3] )
  4. ^ а б Huang, J .; Kaner, R.B .; Варенье. Chem. Soc., 2004, 126 (3), 851–855([4] )
  5. ^ Huang, J .; Virji, S .; Weiller, B.H .; Kaner, R.B .; Варенье. Chem. Soc., 2003, 125 (2), 314–315([5] )
  6. ^ а б c Huang, J .; Pure Appl. Chem., 2006, 78 (1), 15-27([6] )
  7. ^ Chiou, N.R .; Эпштейн, A.J .; Adv. Mater., 2005, 17, 1679-1683([7] )
  8. ^ Rahy, A .; Ян, Д.Дж .; Mater. Lett., 2008, 62, 4311-4314([8] )
  9. ^ а б Baker, C.O .; 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 .; Ян, Й .; 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 .; Влодарски, В .; Калантар-Заде, К .; Baker, C .; Kaner, R.B .; Сенсорные приводы A, 2007, 139, 53-57([12] )
  13. ^ Yan, X.B .; Han, Z.J .; Ян, Й .; Tay, B.K .; Сенсорные приводы B, 2007, 123, 107-113([13] )
  14. ^ Virji, S .; Fowler, J.D .; Baker, C.O .; Huang, J .; Kaner, R.B .; Weiller, B.H .; Маленький, 2005, 1 (6), 624-627([14] )
  15. ^ Liu, C .; Hayashi, K .; Токо, К .; Сенсорные приводы B, 2012, 161, 504-509 ([15] )
  16. ^ Lin, Q .; Li, Y .; Ян, М .; Сенсорные приводы B, 2012, 161, 967-972 ([16] )

Смотрите также