Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Изображение пленки полианилинового нановолокна на растровом электронном микроскопе (СЭМ). [1]

Нановолокна полианилина представляют собой высокоэффективную 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 из-за добавления наноструктуры к полимеру. [2]Свойства, которые делают полианилин полезным, также можно увидеть в форме нановолокон, таких как легкий синтез, устойчивость к окружающей среде и простая химия кислотного / основного легирования / дедопирования. Эти и другие свойства привели к формированию различных применений полианилиновых нановолокон в качестве исполнительных механизмов , запоминающих устройств и датчиков .

Синтез [ править ]

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

Методы полимеризации полианилиновых нановолокон, описанные 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 затравку нановолокон , электросинтез , электропрядение и предварительную полимеризацию в разбавленных растворах анилина. [7]

Химическая окислительная полимеризация [ править ]

Химическая окислительная полимеризация - это традиционный и широко используемый метод полимеризации анилина в больших количествах. [2] Когда анилин смешивается с окислителем в кислотном растворе, происходит полимеризация. Наиболее важным параметром , чтобы контролировать в этом способе синтеза полианилина нановолокон является доминирование гомогенной нуклеации над гетерогенной нуклеации. 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 регулировать диаметр полианилиновых нановолокон, выбирая кислоту. Соляная кислота дает нановолокна диаметром около 30 нм, а камфорсульфоновая кислота и хлорная кислота дают диаметр 50 нм и 120 нм соответственно. [2] При обычных методах синтеза производные полианилина, такие как алкил- и фторзамещенные , не имеют четко определенной волокнистой формы, однако в присутствии олигомерного анилина могут быть синтезированы нановолокна некоторых производных. [2] Хотя наиболее распространенным окислителем является пероксидисульфат аммония.(APS), можно использовать различные другие. Одно исследование показывает использование биодата калия (KH (IO 3 ) 2 ) в качестве окислителя, утверждая, что он приводит к образованию полианилиновых нановолокон, которые имеют большую длину, более высокую кристалличность и более высокую электропроводность . [8]

Межфазный синтез [ править ]

При межфазном синтезе полимеризация происходит на границе раздела между водным и органическим слоями. [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 [ править ]

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 же 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 [ править ]

Монолитные приводы [ править ]

Нановолокна из полианилина были использованы при создании монолитных актуаторов. [9] Их можно использовать в этом приложении благодаря их способности свариваться оплавлением. [2] Под воздействием света, 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 сторона эффективно сшивается.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 [ править ]

Исследования показали , что полианилин нановолокно также может быть использовано для создания энергонезависимых пластиковых устройств цифровой памяти , когда украшен различными металлами , таких как золото , наночастица . [10] Наночастицы золота выращиваются внутри дедопированных полианилиновых нановолокон 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, где 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 дней после программирования , и были продемонстрированы циклы записи-чтения-стирания .

Приложения химического зондирования [ править ]

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 полианилинового нановолокна работают за счет изменения сопротивления . Пленка из полианилиновых нановолокон помещается на электрод , через который протекает ток . Сопротивление электрода изменяется при взаимодействии мишени с пленкой, что позволяет обнаружить цель.

В одном исследовании предлагается создать сенсоры газообразного водорода с использованием полианилиновых нановолокон. [12] Это показывает, что как легированные, так и дедопированные полианилиновые нановолокна могут быть использованы для обнаружения газообразного водорода по изменению сопротивления, но дедопированные нановолокна были более стабильными и имели лучшую воспроизводимость.

Другое исследование показывает потенциал полианилиновых нановолокон в качестве газовых сенсоров NO 2 . [13] Газ NO 2 действует как сильный окислитель по отношению к эмеральдиновой форме 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 сероводорода . [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. Комбинируя соли металлов и полианилиновые нановолокна, можно обнаружить сероводород.

Другое исследование украсило полианилиновые нановолокна наночастицами золота, чтобы обнаружить летучие соединения серы в выдыхаемом человеческом дыхании. [15] Эти датчики потенциально могут быть использованы в различных анализах дыхания, а также в диагностике заболеваний с использованием газов-биомаркеров неприятного запаха.

Датчики влажности также были изготовлены с использованием полианилиновых нановолокон. [16] Эти сенсоры были приготовлены путем электроспиннинга раствора N, N-диметилформамида из полианилиновых нановолокон, поли (винилбутираля) (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 обнаружения, быстрый отклик, небольшую истерику и хорошую повторяемость.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Джиу, MC; Дай, CL; Чан, Швейцария; Wu, CC; Сенсоры , 2009 , 9 (2), 869–880 ( [1] )
  2. ^ a b c d e f g Li, D .; Huang, J .; Канер, РБ; Соотв. Chem. Res. , 2009 , 42 (1), 135–145 ( [2] )
  3. ^ Кавита, Б .; кумар, Канзас; Нарсимлу, Н .; Индийский J. Pure Appl. Phys. , 2013 , 51 (3), 207-209 ( [3] )
  4. ^ а б Хуанг, Дж .; Канер, РБ; Варенье. Chem. Soc. , 2004 , 126 (3), 851–855 ( [4] )
  5. ^ Хуанг, Дж .; Virji, S .; Weiller, BH; Канер, РБ; Варенье. Chem. Soc. , 2003 , 125 (2), 314–315 ( [5] )
  6. ^ a b c Хуанг, Дж .; Pure Appl. Chem. , 2006 , 78 (1), 15-27 ( [6] )
  7. ^ Chiou, NR; Эпштейн, AJ; Adv. Mater. , 2005 , 17, 1679–1683 ( [7] )
  8. ^ Rahy, A .; Ян, диджей; Mater. Lett. , 2008 , 62, 4311-4314 ( [8] )
  9. ^ a b Бейкер, Колорадо; Shedd, B .; Innis, PC; Whitten, PG; Спинкс, GM; Уоллес, Г. Г.; Канер, РБ; Adv. Mater. , 2008 , 20, 155-158 ( [9] )
  10. ^ Ценг, RJ; Huang, J .; Ouyang, J .; Канер, РБ; Ян, Й .; Nano Lett. , 2005 , 5 (6), 1077–1080 ( [10] )
  11. ^ Вирджи, S .; Huang, J .; Канер, РБ; Weiller, BH; Nano Lett. , 2004 , 4 (3), 491–496 ( [11] )
  12. ^ Sadek, AZ; Влодарски, В .; Калантар-Заде, К .; Baker, C .; Канер, РБ; Приводы Sens. A , 2007 , 139, 53-57 ( [12] )
  13. ^ Ян, XB; Han, ZJ; Ян, Й .; Тай, БК; Приводы Sens. B , 2007 , 123, 107-113 ( [13] )
  14. ^ Вирджи, S .; Фаулер, JD; Бейкер, Колорадо; Huang, J .; Канер, РБ; Weiller, BH; Small , 2005 , 1 (6), 624-627 ( [14] ).
  15. ^ Лю, C .; Hayashi, K .; Токо, К .; Сенсорные приводы B, 2012, 161, 504-509 ( [15] )
  16. ^ Lin, Q .; Li, Y .; Ян, М .; Приводы Sens. B, 2012, 161, 967-972 ( [16] )

См. Также [ править ]

  • Полианилин
  • Нановолокно