TEMPLATED SYNTHESIS OF MESOPOROUS 3D CUBIC METAL ARCHITECTURES FROM THE SELF-ASSEMBLY OF BLOCK COPOLYMERS

Abstract

Inspired by mathematicians and structural biologists who have defined and discovered periodic minimal surfaces that do not self-intersect, many chemists and material scientists have designed unique molecules that self-assemble into complex structures having a periodic array of nano- to mesosized pores and two non-intersecting internal channels. Structural transcription of such structures onto a variety of solid-state materials through templated synthesis has provided a versatile platform in preparing advanced materials having increased mass transport, specific activity, and stability. Yet only one of the three most prevalent periodic cubic structures that appear in nature (Schwarz D, G, and P surfaces) has been explored extensively for imparting structure-driven performance enhancement to a material. In this research, the two other structures (the Schwarz P and D surface) are utilized in synthesizing mesoporous cubic nickel, platinum, and gold particles and monoliths having periodic, interconnected, crystalline cubic structures by a simple two-step chemical reduction under mild conditions without energy-intensive calcination and electroplating procedures. Since nickel substrates have been actively utilized as a template for chemical vapor deposition of carbon species, the nickel mesostructures synthesized here provide an access to a new type of carbon allotropes having a negative Gaussian curvature. Also, nickel has been widely sought as an inexpensive catalyst that can replace much rare and more expensive noble metals. Therefore, the mesoporous cubic nickel particles synthesized here opens new opportunities for developing catalysts having unique structures. Platinum catalysts having unique structures have been actively explored by research scientists, so the mesoporous cubic platinum particles synthesized here adds to the library for further research. The structural difference of this new structure compared to the famous gyroidal materials will be more pronounced in their plasmon absorbance behavior. Therefore, mesoporous cubic gold particles are synthesized and characterized. This research contributes to the discovery of unique characteristics that the Schwarz P and D surfaces bring to metallic materials, which have not been actively researched in literature.

수학 및 구조 생물학에 의해 정의되고 발견된 서로 교차하지 않는 규칙적인 최소평면은 화학자와 재료과학자들이 나노 및 메조 크기의 기공을 가지면서 연결된 채널을 규칙적으로 가지고 있는 복잡한 구조들로 자기조립을 하는 다양한 분자를 설계할 수 있도록 영향을 주었다. 주형 합성법은 이러한 구조들을 다양한 고상 재료로 옮길 수 있게 하여 더 빠른 물질 전달률, 높은 면적대비 활성도와 안정성을 가진 재료의 개발에 있어 유용한 플랫폼을 제공하였다. 종래에는 재료에 구조를 부여하고자 할 경우 자연계에 가장 흔하게 발견되는 세 가지의 입방형 구조인 슈워츠 D, G, P면 중 오직 한 가지 종류에 대한 연구가 활발하였다. 본 연구에서는 아직 비교적 활발히 연구되지 못한 다른 두 가지 슈워츠 D, P 면을 이용하여 규칙적이고 서로 연결되어있으며 결정성을 가지는 메 조기 공성메조기공성 니켈, 백금, 금 재료를 에너지 집약적인 하 소나하소나 전기 도금법을 쓰지 않고 온화한 조건에서 두 단계의 화학적 환원 반응을 이용하여 합성하였다. 니켈 재료의 경우 탄소 재료의 합성을 위한 화학적 기상 증착법 (CVD) 의 기판으로 이용돼왔기 때문에 본 연구에서 합성된 메 조기 공성메조기공성 니켈은 음수의 가 우신가우시안 곡률을 가지는 탄소 동소체의 발견에 있어 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 또한, 니켈은 중금속 촉매를 대체 할 수 있는 값싼 촉매 재료로 개발되고 있고 백금 또한 구조를 부여하여 표면적과 활성도를 높이는 등 다방면으로 개발되고 있기 때문에 향후 폭넓은 활용이 가능할 것으로 기대된다. 잘 알려진 자이 로이드 형자이로이드형 (슈워츠 G면) 구조를 가진 재료들과 본 연구에서 합성된 구조들과의 차이점은 표면 플라스몬 공명에서 두드러질 것으로 기대된다. 따라서 슈워츠 P 및 D 면을 갖는 메 조기 공성메조기공성 금 재료도 합성해 보였다. 본 연구는 지금껏 자세히 연구되지 못한 슈워츠 P 및 D 면을 갖는 구조가 재료에 가져오는 독특한 특성들에 관한 연구 증진에 기여할 것으로 기대된다.