Spugne polimeriche microporose comprimibili e monolitiche preparate tramite uno

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 15957 (2015) Citare questo articolo

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Vengono riportati i polimeri microporosi comprimibili e monolitici (MP). Gli MP sono stati preparati come monoliti tramite una reazione di accoppiamento Sonogashira-Hagihara di 1,3,5-trietinilbenzene (TEB) con il monomero bis (bromotiofene) (PBT-Br). I polimeri erano comprimibili in modo reversibile e potevano essere facilmente tagliati in qualsiasi forma utilizzando un coltello. Studi microscopici sulle MP hanno rivelato che i polimeri avevano microstrutture tubolari, simili a quelle spesso presenti nelle spugne marine. Sotto compressione, utilizzando un microscopio ottico è stata osservata la deformazione elastica dei fasci tubieri. MP-0.8, che è stato sintetizzato utilizzando un rapporto molare di 0,8:1 tra PBT-Br e TEB, ha mostrato microporosità con un'area superficiale BET fino a 463 m2g–1. Il polimero era molto idrofobo, con un angolo di contatto con l'acqua di 145° e assorbiva 7-17 volte il proprio peso di liquidi organici. Gli assorbiti sono stati rilasciati mediante semplice compressione, consentendo l'uso riciclabile del polimero. Gli MP sono potenziali precursori di materiali strutturati in carbonio; ad esempio, per pirolisi dell'MP-0.8 è stato ottenuto un materiale parzialmente grafitico, che presentava una struttura tubolare simile a quella dell'MP-0.8.

Le affascinanti morfologie delle spugne marine hanno ispirato i ricercatori nella scienza dei materiali. Le cellule della superficie esterna di una spugna hanno molti piccoli fori chiamati pori dermici attraverso i quali grandi volumi di acqua possono muoversi all'interno della spugna. Canali interni si trovano anche nelle cellule della superficie esterna. Lo scheletro di una spugna è costituito da collagene e componenti inorganici, come silice e carbonato di calcio. Alcune spugne hanno fibre di collagene che costituiscono una struttura a rete, chiamata spugna1. Le strutture spugnose sono state ampiamente adattate per i materiali sintetici e hanno mostrato prestazioni migliorate nella loro applicazione in vari settori, come la nanogenerazione, la catalisi, la supercapacità, il fotovoltaico, il rilascio di farmaci e la generazione di tessuti2,3,4,5,6,7,8 .

Come materiale, una spugna è caratterizzata da porosità, flessibilità e comprimibilità. Le spugne con struttura a rete di fibre spugnose ottenute da animali marini sono state utilizzate fin dall'antichità per rimuovere i liquidi per assorbimento. È disponibile anche una varietà di spugne polimeriche sintetiche. Uno dei metodi più comuni per sintetizzare le spugne è mescolare un polimero con un cristallo inorganico, come il solfato di sodio, che viene poi rimosso riscaldando la miscela per generare pori nella matrice polimerica. La dimensione dei pori formati dipende dalla dimensione dei cristalli, che solitamente varia dal millimetro fino al micrometro. È noto che le spugne preparate utilizzando il metodo di diffusione del solvente in emulsione hanno pori nell'intervallo dei mesopori9. Le spugne polimeriche a base di materiali come chitosano10, melamina11, cellulosa12 e polidimetilsilossano13 sono state modificate chimicamente per fornire loro proprietà adatte ad applicazioni specifiche.

Recentemente, sono stati compiuti sforzi per sintetizzare spugne con pori piccoli utilizzando un approccio dal basso verso l'alto. Gui et al. riportati su spugne monolitiche a base di nanotubi di carbonio (CNT) utilizzando un processo di deposizione chimica da vapore che impiega ferrocene e 1,2-diclorobenzene rispettivamente come precursore del catalizzatore e fonte di carbonio14. Queste spugne CNT avevano un'area superficiale di 300-400 m2g-1 e una dimensione media dei pori di circa 80 nm. Hashim et al. spugne CNT macroporose sintetizzate (diametro dei pori> 50 nm) tramite una strategia di drogaggio del boro durante la deposizione chimica da vapore del toluene utilizzando il ferrocene come precursore del catalizzatore. Atomi di boro in eccesso sono stati trovati nelle giunzioni a "gomito" che formano interconnessioni covalenti dei nanotubi15.

La caratteristica più interessante delle spugne è la loro comprimibilità, che consente una facile rimozione degli assorbenti applicando pressione. Mentre le spugne con pori grandi vengono utilizzate principalmente per rimuovere liquidi mediante assorbimento, le spugne con micropori avranno una gamma più ampia di applicazioni, come nello stoccaggio molecolare, nella separazione e nella catalisi. Secondo la notazione IUPAC16,17, per microporosità si intende la porosità con pori di diametro <2 nm. Zeoliti, carboni attivi e strutture metallo-organiche (MOF) sono tipici materiali microporosi, ma non sono comprimibili. Recentemente, i polimeri organici microporosi (MOP) sono stati ampiamente studiati per la loro funzionalità versatile e stabilità meccanica. La maggior parte dei MOP vengono solitamente preparati utilizzando una polimerizzazione graduale di blocchi costitutivi tri- o multifunzionali superiori e sono ottenuti come particelle precipitate a causa delle loro strutture reticolate. Sebbene talvolta si formino gel macroscopici18,19 o polimeri monolitici20,21,22, questi si rompono facilmente in pezzi dopo l'essiccazione. A nostra conoscenza, non sono stati ancora descritti polimeri microporosi comprimibili.