Organická molekula

3.4 Další organické molekuly používané při syntéze bez povrchově aktivních látek

Pro náhradu molekul povrchově aktivních látek jsou vhodné organické molekuly, které se mohou shlukovat do nerozpustných monovrstev za vzniku předpolymerů. Několik malých organických molekul, které se mohou shlukovat do pre-polymerů a vytvářet tak monovrstvy na rozhraní voda-vzduch podobné těm, které se vytvářejí při použití molekul povrchově aktivních látek.

V nesurfaktantovém sol-gel přístupu mezoporézních materiálů byla použita kyselina vinná jako uhlíková šablona nebo činidlo vytvářející póry (PRA) spolu s chloridem kovu jako kovovým prekurzorem . Bylo zjištěno, že s rostoucím zatížením kovem se zvětšuje objem a průměr pórů v důsledku přítomnosti solí kovů, které podporují fázovou separaci mezi oxidem křemičitým a kyselinou vinnou. Kationty kovů z prekurzorů kovových solí, jako jsou Mg2+ a Al3+ , se dobře koordinovaly s kyselinou vinnou a vytvářely komplexy uhlík/kov, které působily jako činidlo vytvářející póry.

Pokoušeli jsme se také o templátování uhlíku bez povrchově aktivních látek pomocí sol-gelové cesty s použitím molekul D-glukosy. Bylo zjištěno, že výsledné materiály vykazují výrazný nárůst objemu a velikosti pórů při zvýšení koncentrace molekul D-glukosy v sol-gelovém roztoku až na 45 % hmot. Při koncentraci D-glukosy nižší než 36 hm. % byly ve vzorku přítomny mikropóry i mezopóry, zatímco při koncentraci vyšší než 36 hm. % až 64 hm. % převažovaly v materiálech mezopóry. Vodíková vazba mezi agregáty D-glukosy a aniontovými křemičitany napomohla řízené tvorbě mezofází. Podobné pozorování bylo zaznamenáno při použití molekul dibenzoylvinné kyseliny (DBTA) jako uhlíkového templátu . Podobný pokus o nesurfaktantový přístup s použitím D-fruktosy jako uhlíkového templátu v nesurfaktantové sol-gelové syntéze hybridního organo-anorganického mezoporézního oxidu křemičitého obsahujícího fenyl byl proveden s dalším krokem předhydrolyzace oxidu křemičitého a organických prekurzorů v kyselém stavu s následným přidáním D-fruktosy . Poté byl výsledný homogenní roztok vysušen ve vakuu za účelem získání nanoporézního prášku. Bylo navrženo, že 50 % hmot. D-fruktosy je optimální pro výrobu mesoporézních materiálů. Předpokládalo se, že přírůstek plochy povrchu a objemu pórů se zvětšoval s přibývajícími molekulami templátu v důsledku přírůstku koncentrace vnitřních dutin, které byly předtím obsazeny molekulami D-fruktózy, přičemž po extrakci se prostor stal mezoporézní strukturou. Bylo navrženo, že mezoporéznost v materiálech připravených touto nesurfaktantovou cestou vzniká z templátových agregátů nebo sestavou několika agregátů a že pórovitost je vysoce závislá na obsahu D-fruktosy ve výchozí směsi.

Mezoporézní oxid titaničitý na bázi nesurfaktantového sol-gelu s použitím močoviny a β-cyklodextrinu (CD) jako směsných uhlíkových templátů . Přírůstek nebo úbytek močoviny a CD jako uhlíkového templátu však nehrál významnou roli při řízení velikosti pórů a objemu pórů, jak bylo pozorováno u jiných nesurfaktantových systémů uhlíkových templátů, i když bylo zjištěno, že interakce mezi molekulami uhlíkových templátů se při použití močoviny a CD zvyšují.

Při nesurfaktantovém přístupu s použitím silikátových prekurzorů probíhaly procesy syntézy a sušení ve vakuu, kde probíhalo společné srážení křemičitanu sodného a roztoku soli kovu dusičnanu hlinitého . Poté byla sraženina oxidu křemičitého a hliníku znovu rozpuštěna, aby se získal sol prekurzoru, a stárnutím ve vakuu se dosáhlo přechodu sol-gel za vzniku mezoporézních materiálů obsahujících kovový hliník.

Termoplastický polymer, jako je polymethylmetakrylát (PMMA), byl také použit k přípravě nanokompozitu v metodě bez povrchově aktivních látek vytvořením stabilní koloidní disperze solí prekurzorů . Při této metodě syntézy dosáhly křemičité soli obsahující částice oxidu křemičitého o velikosti 13 nm stabilní koloidní disperze až 58 % hmot. bez přídavku povrchově aktivní látky. Získané soli reagovaly s PMMA technikou opakované centrifugace a redispergace za účelem získání nanokompozitu PMMA/silika.

Přístup bez povrchově aktivních látek lze použít při syntéze keramických dutých částic. Duté monodisperzní sférické částice oxidu křemičitého byly syntetizovány bez povrchově aktivní látky nebo šablony za použití dvoustupňové acidobazické reakce katalyzované fenyltrimethoxysilanem (PTMS) . Hydrolýza PTMS proběhla v kyselém stavu a následně došlo ke kondenzaci silanu v PTMS za vzniku monodisperzních dutých mikrosfér oxidu křemičitého. Bylo zjištěno, že doba hydrolýzy byla rozhodující pro vznik dutého sférického oxidu křemičitého při cca. 0,4-4 min jako reakční doba . Delší doba hydrolýzy vedla ke vzniku hustých mikrosfér. Při tvorbě dutých částic oxidu křemičitého se za podmínek míchání tvořily kapičky PTMS, jejichž velikost se postupně zmenšovala a s postupující hydrolýzou se stávaly mísitelné s vodným roztokem. Nehydrolyzovaný PTMS však stále existuje ve vnitřním jádru kapiček. Methanol vznikající během hydrolýzy PTMS má vliv na rozpustnost nehydrolyzovaného PTMS, kdy způsobil uvolnění nehydrolyzovaného PTMS z jádra kapiček PTMS, čímž vznikla dutá struktura. Proto doba hydrolýzy hrála klíčovou roli při tvorbě dutých sférických částic oxidu křemičitého.

Vzhledem k univerzálnosti a ekonomické výhodnosti postupu syntézy byl koncept nesurfaktantového přístupu dále rozšířen na postup přípravy několika nanostrukturních oxidů kovů. Nanorozměrové disperze kovů a polovodičů v silikátových a jiných matricích oxidů kovů jsou velmi potřebné vzhledem k jejich jedinečným optickým, elektrickým a chemickým vlastnostem závislým na velikosti. Jednou z výhodných kovových nanočástic je zlato. Bylo provedeno několik studií nesurfaktantového přístupu k syntéze zlata (Au) obsahujícího mezoporézní oxid křemičitý, Au nanodrátky nebo Au nanobelty pro aplikace v nanozařízeních . Mezoporézní Au-křemičité nanokompozity s vysokým povrchem byly připraveny pomocí tetraethylortosilikátu (TEOS) se zlatým roztokem v přítomnosti dibenzoylvinné kyseliny (DBTA) jako uhlíkového templátu . Nanočástice Au byly zabudovány do trojrozměrné sítě oxidu křemičitého pomocí procesu sol-gel, čímž byly získány monolitické gely s obsahem zlata a oxidu křemičitého bez trhlin DBTA. Po odstranění DBTA z komplexu zlato-křemelina-DBTA byly získány mezoporézní nanokompozity zlato-křemelina. Trojrozměrně rozvětvené nanokrystaly Au byly získány také ze soli Au v neutrálním pufrovém roztoku o pH 7,5 a při pokojové teplotě . Pufrovací roztok působil jako redukční činidlo vůči Au soli i jako činidlo usměrňující tvar.

Na druhé straně byly nesurfaktantovou cestou syntetizovány také oxidy kovů s několika morfologiemi . Například ZnO s různou velikostí květové morfologie byl připraven nesurfaktantovou cestou při různé hodnotě pH z prekurzorů Zn solí. Růst krystalů závisel na aktivním místě na jádrech ZnO, které se mění v závislosti na hodnotě pH, což vedlo k několika velikostem květovitých krystalů ZnO . Kromě toho byly touto metodou připraveny také mikrosféry ZnO s nanostrukturovaným povrchem . Podobně byly pomocí stejného konceptu připraveny i další keramické oxidy, např. wolframan barnatý (BaWO4) s řízenou morfologií . Syntéza dalších oxidů, jako jsou mikročástice hlinitanu lithného (LiAlO2) a obdélníkové nanopruty, byla úspěšně provedena s povrchově aktivní látkou, ale s dodatečnou hydrotermální úpravou z nanočástic Al2O3 při změně molárního poměru Li/Al s optimálním poměrem Li/Al 3 a 15 . Selenové (Se) nanotrubičky byly rovněž syntetizovány nepovrchově aktivní cestou za použití selenové soli s glukózou jako redukčního činidla při několikahodinové hydrotermální úpravě . Změny teploty hydrotermální úpravy významně ovlivnily velikost a morfologii výsledných nanotrubiček.

Způsob syntézy bez povrchově aktivních látek pro výrobu mezoporézních materiálů lze použít zavedením rozkladu cukru in-situ přímo na suroviny oxidu křemičitého za účelem vytvoření požadované uhlíkové šablony. Křemičitá surovina byla nejprve impregnována roztokem cukru, dokud nebylo dosaženo počátečního smáčení, po němž následovala kalcinace v prostředí inertního plynu, jako je argon (Ar), a proces krystalizace . Výsledný materiál, mesoporézní krystal zeolitu, měl propojené mikropóry a mesopóry uvnitř každého jednotlivého krystalu. V nesurfaktantovém přístupu bylo možné nahradit šablonové molekuly také molekulami barviv. Mezoporézní oxid křemičitý se pokoušeli syntetizovat s použitím barviva Basic Fuchsin (BF) jako šablonové molekuly . Vzhledem k planární struktuře molekul barviva BF byla spojena s hydrolyzovanými siloxanovými prekurzory za účelem vytvoření struktury mezopórů pomocí přemosťujících molekul aminopropyltriethoxysilanu (APTES) .

.