Полианилиновые нановолокна
Полианилиновые нановолокна представляют собой высокоаспектную форму полианилина , полимера , состоящего из мономеров анилина , который выглядит как отдельные длинные нити со средним диаметром от 30 до 100 нм. Полианилин — один из старейших известных проводящих полимеров , известный уже более 150 лет. [ 2 ] Полианилиновые нановолокна часто изучаются на предмет их способности улучшать свойства полианилина или иметь дополнительные полезные свойства за счет добавления наноструктуры к полимеру. [ 2 ] Свойства, которые делают полианилин полезным, можно также увидеть в форме нановолокон, таких как легкий синтез, устойчивость к окружающей среде и простая кислотного / основного легирования химия / дедопирования. Эти и другие свойства привели к формированию различных применений полианилиновых нановолокон в качестве исполнительных механизмов , устройств памяти и датчиков .
Синтез
[ редактировать ]
Методы полимеризации полианилиновых нановолокон, встречающиеся в литературе, в основном включают [окислительно-восстановительную | химическую окислительную] полимеризацию, межфазный синтез и методы «быстрого смешивания». [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] Другие менее распространенные методы включают засев нановолокон , электросинтез , электропрядение и предварительную полимеризацию в разбавленных растворах анилина. [ 7 ]
Химическая окислительная полимеризация
[ редактировать ]Химическая окислительная полимеризация — традиционный и широко используемый метод полимеризации анилина в больших количествах. [ 2 ] При смешивании анилина с окислителем в кислом растворе происходит полимеризация. Наиболее важным параметром, который необходимо контролировать в этом методе синтеза полианилиновых нановолокон, является доминирование гомогенной над гетерогенной нуклеации . Гомогенная нуклеация описывает, когда ядра образуются спонтанно в растворе, тогда как гетерогенная нуклеация описывает, когда ядра выращиваются на других видах. На ранних стадиях этой полимеризации образуются только нановолокна, поскольку нет гетероядер, доступных для гетерогенного зародышеобразования. Однако, если реакцию оставить неконтролируемой, гетерогенная нуклеация начнет доминировать, поскольку полианилин будет преимущественно расти на существующих частицах, что приведет к необратимой агломерации. Реакцию можно сделать так, чтобы способствовать гомогенному зародышеобразованию на всем протяжении, увеличивая скорость реакции, температуру реакции и позволяя реакции протекать без перемешивания. [ 2 ]
С помощью этого метода диаметром полианилиновых нановолокон можно управлять путем выбора кислоты. Соляная кислота дает нановолокна диаметром около 30 нм, а камфорсульфоновая кислота и хлорная кислота - диаметром 50 и 120 нм соответственно. [ 2 ] При обычных методах синтеза производные полианилина, например алкил- и фторзамещенные , не имеют четко выраженной волокнистой формы, однако в присутствии олигомера анилина можно синтезировать нановолокна некоторых производных. [ 2 ] Хотя наиболее распространенным окислителем является пероксидисульфат аммония (АПС), можно использовать и другие. Одно исследование показывает использование бийодата калия (KH(IO 3 ) 2 ) в качестве окислителя, утверждая, что это приводит к получению полианилиновых нановолокон, которые длиннее, имеют более высокую кристалличность и более высокую электропроводность . [ 8 ]
Межфазный синтез
[ редактировать ]При межфазном синтезе полимеризация происходит на границе раздела водного и органического слоев. [ 4 ] [ 6 ] Типичная реакция включает в себя водный раствор кислоты и окислителя и органический слой анилина вместе. Это создает реактивную поверхность раздела для полимеризации. По мере полимеризации полианилиновые нановолокна диффундируют в слой воды, оставляя реакционноспособную границу раздела. Это предотвращает разрастание существующих проволок, позволяя продолжать гомогенное зародышеобразование. Условия межфазного синтеза можно регулировать, например, тип используемой кислоты, а также используемый окислитель.
Быстрые реакции смешивания
[ редактировать ]Полианилиновые нановолокна также можно синтезировать посредством реакций «быстрого смешивания». [ 6 ] Этот метод пытается предотвратить чрезмерный рост, который может поставить под угрозу природу нановолокон полимера, путем остановки полимеризации сразу после образования нановолокон. Это достигается быстрым смешиванием мономера, анилина и раствора инициатора. В начале реакции инициатор быстро расходуется и полностью расходуется при образовании нановолокон. Без остатка инициатора синтез полианилина останавливается.
Приложения
[ редактировать ]Монолитные приводы
[ редактировать ]Полианилиновые нановолокна использовались при создании монолитных актуаторов. [ 9 ] Их можно использовать в этом применении благодаря возможности сварки оплавлением. [ 2 ] Под воздействием света полианилин преобразует поглощенную энергию непосредственно в тепло. В полианилиновой пленке тепло распределяется по всему 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 сварке или сгоранию. При умеренной интенсивности вспышки нановолокна быстро плавятся, образуя гладкую пленку. Используя маску, с помощью этой техники можно выполнять сварные швы по определенным рисункам. В достаточно толстом образце нановолокон сваривается только сторона, подвергающаяся воздействию вспышки, создавая асимметричную пленку, в которой одна сторона остается неповрежденной как нановолокна, а другая сторона эффективно сшивается за счет сварки. Эти асимметричные пленки демонстрируют быстрое обратимое срабатывание в присутствии кислот и оснований в виде изгиба и скручивания. Преимущества асимметричных пленок из полианилиновых нановолокон перед другими приводами включают простоту синтеза, большую степень изгиба, возможность формирования рисунка и отсутствие расслаивания. Эти приводы можно использовать при разработке микропинцетов, микроклапанов, искусственных мышц, химических сенсоров и узорчатых исполнительных структур. [ 9 ]
Устройства цифровой памяти
[ редактировать ]Исследования показали, что полианилиновые нановолокна также могут быть использованы для создания энергонезависимых пластиковых цифровых запоминающих устройств при декорировании металлов , например золота наночастицами различных . [ 10 ] Наночастицы золота выращиваются внутри делегированных полианилиновых нановолокон с использованием окислительно-восстановительной реакции. Между двумя электродами помещается пластиковая композитная пленка, а внешнее смещение используется для программирования состояний ВКЛ-ВЫКЛ. Считается, что механизм переключения вызван взаимодействием между нановолокнами полианилина и наночастицами золота, при котором заряд передается наночастицам золота от нановолокон полианилина за счет индуцированного электрического поля . Переключение между состояниями ВКЛ-ВЫКЛ оказалось быстрым, со временем менее 25 нс. Время хранения этих простых устройств составляет порядка нескольких дней после программирования , и записи-чтения-стирания были продемонстрированы циклы .
Приложения химического зондирования
[ редактировать ]Полианилиновые нановолокна оказались невероятно успешными в качестве химических сенсоров , поскольку в многочисленных тестах они работают лучше, чем обычные полианилиновые пленки. [ 11 ] Эта разница в характеристиках объясняется их большой площадью поверхности , пористостью и малым диаметром, которые улучшают диффузию материалов через нановолокна. Датчики из полианилиновых нановолокон функционируют за счет изменения сопротивления . Пленка полианилинового нановолокна помещается на электрод , по которому ток протекает . Сопротивление электрода изменяется при взаимодействии мишени с пленкой, что позволяет обнаружить мишень.
Одно исследование предлагает создание датчиков газообразного водорода с использованием полианилиновых нановолокон. [ 12 ] Это показывает, что как легированные, так и делегированные полианилиновые нановолокна можно использовать для обнаружения газообразного водорода посредством изменения сопротивления, но делегированные нановолокна были более стабильными и имели лучшую воспроизводимость.
Другое исследование показывает потенциал полианилиновых нановолокон в качестве датчиков газа NO 2 . [ 13 ] Газ NO 2 действует как сильный окислитель по отношению к изумрудной форме полианилиновых нановолокон, что вызывает изменения сопротивления более чем на три порядка при 100 ppm.
Цели зондирования можно расширить за счет добавления материалов к полианилиновым нановолокнам. В одном исследовании предлагаются композиты из полианилиновых нановолокон с солями металлов для обнаружения сероводорода . [ 14 ] Сероводород — это слабая кислота, которая опасна при низких значениях ppm, но полианилиновые нановолокна могут дать устойчивую реакцию только на сильные кислоты. Соли металлов могут реагировать с гидросульфатом с образованием осадка сульфида металла и сильной кислоты. Объединив соли металлов и полианилиновые нановолокна, можно обнаружить сероводород.
В другом исследовании полианилиновые нановолокна были украшены наночастицами золота для обнаружения летучих соединений серы в выдыхаемом воздухе человека . [ 15 ] Эти датчики потенциально могут быть использованы для различных анализов дыхания, а также для диагностики заболеваний, связанных с биомаркерными газами с неприятным запахом.
Датчики влажности также были изготовлены с использованием полианилиновых нановолокон. [ 16 ] Эти сенсоры были изготовлены методом электропрядения раствора N,N-диметилформамида полианилиновых нановолокон, поливинилбутираля (ПВБ) и поли(этиленоксида) (ПЭО). Было показано, что эти датчики обладают высокой чувствительностью с изменением сопротивления на три порядка. Кроме того, датчики показали хорошую линейность чувствительности, быстрый отклик, небольшие истерики и хорошую повторяемость.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Джиу, MC; Дай, CL; Чан, Швейцария; Ву, CC; Датчики , 2009 , 9 (2), 869–880 ( [1] )
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Li, D.; Huang, J.; Kaner, R.B.; Acc. Chem. Res. , 2009 , 42 (1), 135–145( [2] )
- ^ Кавита, Б.; Кумар, Канзас; Нарсимлу, Н.; Индийский J. Pure Appl. Физ. , 2013 , 51 (3), 207-209( [3] )
- ^ Jump up to: а б Хуанг, Дж.; Канер, Р.Б.; Дж. Ам. Ткань. Соц. , 2004 , 126 (3), 851–855( [4] )
- ^ Хуанг, Дж.; Вирджи, С.; Вейллер, Б.Х.; Канер, Р.Б.; Дж. Ам. Ткань. Соц. , 2003 , 125 (2), 314–315( [5] )
- ^ Jump up to: а б с Хуанг, Дж.; Чистое приложение. хим. , 2006 , 78 (1), 15-27( [6] )
- ^ Чиу, Северная Каролина; Эпштейн, AJ; Адв. Матер. , 2005 , 17, 1679-1683( [7] )
- ^ Рэйи, А.; Ян, диджей; Матер. Летт. , 2008 , 62, 4311-4314( [8] )
- ^ Jump up to: а б Бейкер, Колорадо; Шедд, Б.; Иннис, ПК; Уиттен, П.Г.; Спинкс, генеральный менеджер; Уоллес, Г.Г.; Канер, РБ; Адв. Матер. , 2008 , 20, 155-158( [9] )
- ^ Ценг, Р.Дж.; Хуанг, Дж.; Оуян, Дж.; Канер, РБ; Ян, Ю.; Нано Летт. , 2005 , 5 (6), 1077–1080( [10] )
- ^ Вирджи, С.; Хуанг, Дж.; Канер, РБ; Вейллер, Б.Х.; Нано Летт. , 2004 , 4 (3), 491–496( [11] )
- ^ Садек, Аризона; Влодарски, В.; Калантар-Заде, К.; Бейкер, К.; Канер, РБ; Сенсорные актуаторы А , 2007 , 139, 53-57( [12] )
- ^ Ян, XB; Хан, ZJ; Ян, Ю.; Тай, БК; Сенсорные актуаторы Б , 2007 , 123, 107-113( [13] )
- ^ Вирджи, С.; Фаулер, доктор медицинских наук; Бейкер, Колорадо; Хуанг, Дж.; Канер, РБ; Вейллер, Б.Х.; Смолл , 2005 , 1 (6), 624-627( [14] )
- ^ Лю, К.; Хаяши, К.; Токо, К.; Сенсорные актуаторы Б, 2012, 161, 504-509( [15] )
- ^ Лин, К.; Ли, Ю.; Ян, М.; Сенсорные актуаторы Б, 2012, 161, 967-972( [16] )