Polypyrrolové elektricky vodivé nanotrubky

Polypyrrolové elektricky vodivé nanotrubky syntetizované za přítomnosti methyloranže (PPy-NT MO) jsou jednodimenzionální nanostruktury tvořené polymerizací monomeru pyrrolu za přítomnosti strukturního činidla. Podle způsobu přípravy a následného zpracování vykazují různé fyzikální vlastnosti. PPy-NT MO nacházejí potenciální využití například v biokatalýze, senzorové technice, ukládání energie, elektrokatalýze nebo při stínění elektromagnetických interferencí.

Polypyrrolové nanotrubky MO
PPy-NT MO zvětšení 1000x
Vlastnosti
Součinitel elektrické vodivosti	60 S·cm−1
Není-li uvedeno jinak, jsou použity jednotky SI a STP (25 °C, 100 kPa). Některá data mohou pocházet z datové položky.

Jejich karbonizovaná varianta, známá jako N-dopované PPy-C, je v určitých ohledech potenciální alternativou standardních uhlíkových nanotrubek.

Princip formace PPy-NT MO

Strukturované polypyrrolové nanotrubky jsou oproti jejich nestrukturované verzi upřednostňovány především díky vlastnostem vyplývajícím z jejich struktury přímo i nepřímo (elektrická vodivost, specifický povrch nanostruktury atd.). Pro počátek formace specifického tvaru (tj. morfologie) nanostruktury je využíváno strukturní činidlo, tzv. šablona (angl. structure guiding agent), a oxidační činidlo (pro počátek samotné polymerizace). Rovněž je vhodné poznamenat, že výběr šablony do jisté míry koreluje s tvarem výsledné struktury. Pro nanostruktury PPy o morfologii nanotrubek byla použita jako šablona methyloranž.

Šablona při formaci PPy-NT MO

Šablona při formaci slouží jako počáteční bod tvorby specifické nanostruktury a je schopná usměrnit formaci a ovlivňovat výsledný tvar nanostruktur. Polymer na počátku své formace obklopí šablonu, načež začne v jednom směru růst. Přítomnost šablony není nutná po celé délce struktury a do určitého limitu si nanostruktura přesto udrží příslušný tvar.

Princip vzniku šablony

Šablony jsou obecně tenzidy, například azobarviva. Tento princip vysvětluje zejména agregaci azobarviv. Vlastnost shlukování barviv vyplývá zejména z π–π interakcí mezi jejich molekulami a výskytu hydrofilních i hydrofóbních částí v samotném barvivu. Ve vodném roztoku se budou hydrofilní části molekuly snažit dostat do kontaktu s roztokem a hydrofobní naopak. Tímto způsobem se utvoří agregát a může jednat jako počáteční bod pro formaci nanostruktury. Za určitých syntézních podmínek mohou vznikat i komplexy azobarviv působící jako šablony.

Princip elektrické vodivosti

Polypyrrolové nanotrubky připravené za přítomnosti methyloranže a specifického oxidačního činidla (např. FeCl₃) jsou elektricky vodivé. Schopnost vodit vychází z nedostatku elektronů v jejich konjugovaných systémech, tedy jejich velmi vysoké afinitě k elektronům.

V průběhu polymerace oxidační činidlo odebírá elektrony z aromatických kruhů monomeru. Obecně uznávaná teorie v případě syntézy využívající FeCl₃ říká, že látka v roztoku ionizuje na FeCl +
2  a chloridový anion, přičemž FeCl +
2  využívá získaný elektron pro svoji stabilizaci na neutrální FeCl₂. Z důvodů elektroneutrality se na oxidovaný polymerní řetězec vážou iontovými vazbami chloridové anionty z původního oxidačního činidla, a jsou označovány jako dopanty. Konjugovaný systém je pak ve formě polaronu či bipolaronu, která umožňuje pohyb elektronů a děr v rámci řetězce polymeru. Teoreticky jsou jako vodivost podporující dopanty uvažovány i jiné příměsi. V intermolekulárním měřítku je vodivost zajištěna přeskokovým mechanismem.

Počáteční vodivost kompresovaných peciček PPy-NT je zhruba 60 S/cm. Postupem času lehce klesá vlivem vzdušné oxidace a UV záření.

Ilustrační struktura polypyrrolového řetězce s dopanty

Využití

Jedno z majoritních využití PPy-NT je stínění elektromagnetických interferencí. Namletý prach je zalit do matrixu s určitým hmotnostním zastoupením nanopolymeru (většinou do 5 %), a výsledný kompozit interference primárně reflektuje.

Další potenciální využití PPy-NT může být nalezeno primárně v biokatalýze, senzorové technice, ukládání energie a elektrokatalýze.

Literatura

1. Kopecká, J.; Kopecký, D.; Vrňata, M.; Fitl, P.; Stejskal, J.; Trchová, M.; Bober, P.; Morávková, Z.; Prokeš, J.; Sapurina, I. Polypyrrole Nanotubes: Mechanism of Formation. RSC Adv. 2014, 4 (4), 1551–1558. https://doi.org/10.1039/C3RA45841E
2. Kopecký, D.; Varga, M.; Prokeš, J.; Vrňata, M.; Trchová, M.; Kopecká, J.; Václavík, M. Optimization Routes for High Electrical Conductivity of Polypyrrole Nanotubes Prepared in Presence of Methyl Orange. Synthetic Metals 2017, 230, 89–96. https://doi.org/10.1016/j.synthmet.2017.06.004
3. Moučka, R.; Sedlačík, M.; Prokeš, J.; Kasparyan, H.; Valtera, S.; Kopecký, D. Electromagnetic Interference Shielding of Polypyrrole Nanostructures. Synthetic Metals 2020, 269, 116573. https://doi.org/10.1016/j.synthmet.2020.116573
4. Moučka, R.; Sedlačík, M.; Kasparyan, H.; Prokeš, J.; Trchová, M.; Hassouna, F.; Kopecký, D. One-Dimensional Nanostructures of Polypyrrole for Shielding of Electromagnetic Interference in the Microwave Region. International Journal of Molecular Sciences 2020, 21 (22), 8814. https://doi.org/10.3390/ijms21228814
5. Šetka, M.; Drbohlavová, J.; Hubálek, J. Nanostructured Polypyrrole-Based Ammonia and Volatile Organic Compound Sensors. Sensors 2017, 17, 562. https://doi.org/10.3390/s17030562

Portály: Chemie