Pore Structure Control of Poly(p-PhenyleneEthynylene) Films for Highly Sensitive Chemosensors

Abstract

In this paper, we synthesized three poly(p-phenyleneethynylene) (PPE) polymers with different side chains. We figured out the influence of side chain polarity in co-monomer on film formation process. Three different fluorescent polymer films with controlled surface morphology have been fabricated for the application to chemosensor. Since the diffusion of 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) is limited at the thick polymer film, we have introduced porous structures in PPE films to facilitate the diffusion in a tens to hundreds of nanometer-thick PPE film. To achieve porous structures in PPE films, non-solvent vapor induced phase separation (NVIPS) was adopted during spin-coating process. Introducing hydrophilic group into the side chain to control the interaction with non-solvent (i.e., water) is the key for the facile morphology control in this work. We, eventually, could control the morphology of different PPE polymers which generate variant structures on the film surface by changing the relative humidity. As expected, TNT could diffuse into the film enough to show high sensitivity more effectively, compared with the one that has no pore on the surface. We also found out that both porous structure and film thickness could effect on the quenching performance. In conclusion, controlling the morphology of the film such as introducing the porous structure can be a promising strategy for enhancing the efficiency of chemosensor.

본 연구에서는 poly(p-phenyleneethynylene)s (PPEs)의 합성과 필름 형성 과정에서의 다양한 곁 사슬에 따른 극성의 영향에 대해 살펴보았다. 표면 형태 조절을 한 세 가지 다른 형광고분자 필름을 화학센서의 응용을 위해 만들었다. 다공성 필름의 제작을 통해 기공에 따른 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) 증기에 대한 소광 실험을 진행하였다. TNT은 두꺼운 고분자 필름에서는 제한되기 때문에 필름에 기공성 구조를 도입하여 수십-수백나노미터의 두께를 가진 PPE 필름에서도 확산이 잘 일어나도록 하였다. 비용매 증기로 유도되는 상분리 (NVIPS)를 이용해 스핀코팅 방법으로 필름 내 기공을 만들었으며 PPE 고분자의 농도를 미세 조절하여 고분자 박막의 기공을 조절하였다. PPE 고분자의 곁 사슬의 친수성 구조가 기공 형성을 조절하는 비용매(물)에 주요한 요인임을 확인하였고, 접촉각 측정을 통한 계면에너지 계산으로 수치화하여 최적의 구조를 찾아내었다. 이를 통해 상대습도 조절을 통한 필름의 다양한 표면 구조를 조절하였다. 이를 통해 기공이 없는 필름 표면보다 기공을 도입한 필름 표면에서 TNT가 잘 확산하는 것을 형광 소광 실험을 통해 확인하였고, 본 연구를 토대로 기공 구조 도입과 같은 필름의 형태조절이 화학센서의 효율을 증대시키는데 효과적인 전략이 될 것으로 기대된다.