Tailoring Pore Size, Structure, and Morphology of Hierarchical

Feb 12, 2018 - Mesoporous materials of tailored pore size, structure, and morphology are of interests for a wide range of applications. It is importan...
2 downloads 6 Views 1MB Size
Subscriber access provided by - Access paid by the | UCSB Libraries

Article

Tailoring Pore Size, Structure, and Morphology of Hierarchical Mesoporous Silica Using Diblock and Pentablock Copolymer Templates Gyudong Lee, Eunji Choi, Shu Yang, and Eun-Bum Cho J. Phys. Chem. C, Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b00277 • Publication Date (Web): 12 Feb 2018 Downloaded from http://pubs.acs.org on February 14, 2018

Just Accepted “Just Accepted” manuscripts have been peer-reviewed and accepted for publication. They are posted online prior to technical editing, formatting for publication and author proofing. The American Chemical Society provides “Just Accepted” as a service to the research community to expedite the dissemination of scientific material as soon as possible after acceptance. “Just Accepted” manuscripts appear in full in PDF format accompanied by an HTML abstract. “Just Accepted” manuscripts have been fully peer reviewed, but should not be considered the official version of record. They are citable by the Digital Object Identifier (DOI®). “Just Accepted” is an optional service offered to authors. Therefore, the “Just Accepted” Web site may not include all articles that will be published in the journal. After a manuscript is technically edited and formatted, it will be removed from the “Just Accepted” Web site and published as an ASAP article. Note that technical editing may introduce minor changes to the manuscript text and/or graphics which could affect content, and all legal disclaimers and ethical guidelines that apply to the journal pertain. ACS cannot be held responsible for errors or consequences arising from the use of information contained in these “Just Accepted” manuscripts.

The Journal of Physical Chemistry C is published by the American Chemical Society. 1155 Sixteenth Street N.W., Washington, DC 20036 Published by American Chemical Society. Copyright © American Chemical Society. However, no copyright claim is made to original U.S. Government works, or works produced by employees of any Commonwealth realm Crown government in the course of their duties.

Page 1 of 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

Tailoring Pore Size, Structure, and Morphology of Hierarchical Mesoporous Silica Using Diblock and Pentablock Copolymer Templates   Gyudong Lee,† Eunji Choi,† Shu Yang,*,‡ and Eun‐Bum Cho*,†   †

Department of Fine Chemistry, Seoul National University of Science and Technology, Seoul 01811, Korea 



Department of Materials Science and Engineering, University of Pennsylvania, PA 08826, United State  

  ABSTRACT:  Mesoporous  materials  of  tailored  pore  size,  structure,  and  morphology  are  of  interests  for  a  wide range  of  applications. It is important to develop synthetic methods that will allow for easy processing and facile structure modifica‐ tion. Here, we present the preparation of hierarchically structured bimodal mesoporous silicas using water soluble poly(lac‐ tic acid‐co‐glycolic acid)‐b‐poly(ethylene oxide) (PLGA‐b‐PEO) diblock copolymer and a poly(lactic acid‐co‐glycolic acid)‐ b‐poly(ethylene oxide)‐b‐poly(propylene oxide)‐b‐poly(ethylene oxide)‐b‐poly(lactic acid‐co‐glycolic acid) (PLGA‐b‐PEO‐ b‐PPO‐b‐PEO‐b‐PLGA) pentablock copolymer as templates. The block copolymers were synthesized through a step‐growth  polymerization method using a commercial Pluronic F68 macro‐initiator. Mesoporous silica samples were obtained by sol‐ gel chemistry in acidic aqueous solutions. Hexagonally (p6mm) ordered mesoporous silica particles were obtained in the  presence of a PLGA‐PEO diblock copolymer and exhibited bimodal pore size distributions in the range of 2‐9 nm. Core‐ shell type mesoporous silica particles were obtained in the presence of PLGA‐PEO‐PPO‐PEO‐PLGA pentablock copolymer  and exhibited large pore diameter up to 20 nm with distinct bimodal pore size distributions. The pore size increased when  using longer pentablock copolymer template in strong acid. The physicochemical properties were investigated using small‐ angle X‐ray scattering (SAXS), nitrogen adsorption‐desorption, transmission electron microscope (TEM), solid‐state  29Si  nuclear magnetic resonance (NMR), and scanning electron microscope (SEM), respectively. 

INTRODUCTION  Ordered  mesoporous  materials  with  diameter  in  the  range of 2 – 50 nm templated from liquid crystalline sur‐ factant  micelles  were  first  reported  in  1992  to  overcome  disadvantage of conventional zeolites and molecular sieves  that  have  pore  diameters  less  than  2  nm  for  more  facile  conversion  of  heavy  petroleum  oil.1,2  Since  then,  ordered  mesoporous  materials  have  received  increasing  attention  because  of  their  high  surface  area,  tailorable  ordered  mesostructures, tunable uniform mesopore size, and ver‐ satile modification of framework compositions. As a result,  mesoporous materials have been studied for a wide range  of applications including adsorption,3,4 seaparation,5,6 cat‐ alyst,7,8  drug  delivery,9,10  and  energy  conversion  and  stor‐ age.11,12   Nevertheless, low molecular weight surfactants as well as  block copolymers as a single template have limit to obtain  the uniform pore size over 10 nm especially in mesoporous  silica. The physical and chemical control of pore size and  pore structure13 still remains one of key issues for various  applications  of  mesoporous  silicas.  Commercial  Pluronic  triblock  copolymers14  and  poly(ethylene  oxide)  (PEO)‐ based amphiphilic block copolymers have been identified  as useful soft templates to increase pore size in mesopore  regime.15‐17  Thus,  larger  mesopores  with  a  variety  of  pore  morphologies using block copolymer templates have been  demonstrated due to their facile self‐assembly and tunable  length scales.18,19 Organic swelling agents such as 1,3,5‐tri‐ methylbenzene  (TMB)  were  also  found  as  valuable  addi‐ tives to further enlarge the mesopore size greater than 10 

nm.14,20‐22  Meanwhile,  mesoporous  materials  with  multi‐ modal pores are of great potentials to enhance the perfor‐ mance  in  catalysis,  sorption,  separation,  and  biomedical  areas  based  on  unique  and  adjustable  pore  structure.23‐26  Until now, various templating approaches have been tried  to  prepare  hierarchically  bimodal  mesoporous  materials  especially  by  using  a  dual‐templating  approach  or  post‐ treatments  of  mesoporous  silica  materials.27‐37  Generally,  Pluronic  triblock  copolymers,  constituting  of  poly(eth‐ ylene  oxide)  (PEO)  and  poly  (propylene  oxide)  (PPO),   with additional surfactants have been widely used to pre‐ pare bimodal mesoporous silicas. In the case of using non‐ Pluronic  block  copolymers,  more  hydrophobic  block  chains located at the one or both ends of block copolymer  usually make them insoluble in water and the mesoporous  materials should be prepared by evaporation‐induced self‐ assembly (EISA) process with non‐polar solvents for cross‐ linking and condensation of silicate precursors. Wiesner et  al.  firstly  reported  the  preparation  of  mesostructured  sil‐ ica‐aluminas using poly(isoprene‐b‐ethylene oxide) (PI‐b‐ PEO) diblock copolymer templates via EISA process.16 Un‐ til now, a variety of PEO‐based diblock copolymers, includ‐ ing poly(styrene‐b‐ethylene oxide) (PS‐b‐PEO),38 poly(ca‐ prolactone‐b‐ethylene oxide) (PCL‐b‐PEO),39 poly(lactide‐ b‐ethylene oxide) (PLA‐b‐PEO),40 poly(methyl methacryl‐ rate‐b‐ethylene  oxide)  (PMMA‐b‐PEO),37  and  poly(eth‐ ylene‐co‐butylene)‐b‐ethylene  oxide)  (Kraton‐liquid‐b‐ PEO)  (KLE)34  have  been  studied  using  EISA  strategy  for  synthesis of ordered mesoporous silica with large and tun‐ able pore sizes. However, aforementioned diblock copoly‐

ACS Paragon Plus Environment

1

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

mer templates generally lead to unimodal mesoporous ma‐ terials during EISA process since thermodynamically it is  difficult to obtain hierarchical micellar systems from a ho‐ mogeneous mixture of a single block copolymer in a start‐ ing good solvent.41 Thus, different types of ABC triblock co‐ polymers, such as poly(ethylene‐alt‐propylene‐b‐ethylene  oxide‐b‐n‐hexyl  methacrylate)42  and  polyisoprene‐b‐poly‐ styrene‐b‐poly(propylene  carbonate)43  have  been  investi‐ gated to make new complex nanostructures with tunable  length  scales.  Recently,  ABC  type  triblock  copolymer,  poly(ethylene‐b‐ethylene  oxide‐b‐ε‐caprolactone)  (PE‐b‐ PEO‐b‐PCL), as a single template was used to prepare hi‐ erarchical mesoporous materials using EISA process, sug‐ gesting the two hydrophobic blocks, PE and PCL, formed  different  mesopores  separately.44  However,  there  was  no  report  to  prepare  multimodal  mesoporous  materials  sys‐ tematically from solution state not using EISA process. It  was known that a typical BAB type Pluronic triblock copol‐ ymer,  with  small  difference  of  solubility  parameter  be‐ tween  hydrophilic  (B)  block  and  hydrophobic  (A)  block,  generally makes uniform polymer micelles easily in solu‐ tion/solid  states.  On  the  contrary,  it  is  expected  that  AB  diblock  copolymers  and  ABA  type  triblock  copolymers  with hydrophobic block at the both ends of polymer chain  can  be  assembled  faster  even  in  more  diluted  solutions  which  can  prepare  hierarchical  size  distribution  of  mi‐ celles. Furthermore, in the case of ABA type triblock copol‐ ymer in solution, its more rigid hydrophobic chains in mi‐ celle  core  and  some  of  loop  type  hydrophilic  chains  can  prohibit unimer chains from the new insertion into the mi‐ celles  more  tightly  than  a  typical  BAB  type  Pluronic  triblock copolymer. Therefore, it is possible to prepare hi‐ erarchical micellar system in aqueous solution by adjusting  the solubility of block copolymer chains and pH using AB,  ABA, and CBABC type block copolymers with hydrophobic  A and more hydrophobic C blocks. It can be expected that  it is possible to prepare multimodal mesoporous silica ma‐ terials by finding multimodal micellar system experimen‐ tally in dilute solution (i.e. aforementioned kinetically‐ and  sterically‐driven  multimodal  micelle  system)  during  the  cooperative  sol‐gel  reaction  using  block  copolymers  with  sufficient hydrophobic segments.   Herein, we synthesized PEO‐based water soluble diblock,  poly(lactic  acid‐co‐glycolic  acid)‐b‐poly(ethylene  oxide)  (PLGA‐b‐PEO),  and  CBABC  type  pentablock  copolymers,  poly(lactic acid‐co‐glycolic acid)‐b‐poly(ethylene oxide)‐b‐ poly(propylene  oxide)‐b‐poly(ethylene  oxide)‐b‐poly(lac‐ tic  acid‐co‐glycolic  acid)  (PLGA‐b‐PEO‐b‐PPO‐b‐PEO‐b‐ PLGA), in which hydrophobic chains are located at the one  and both ends of polymer chain, as templates for prepara‐ tion of hierarchical mesoporous silica. Hydrophobicity and  crystallinity of poly(lactic acid) can be suppressed by ran‐ domly  linking  glycolide  and  D,L‐lactide  monomers  with‐ out stereoregularity, which is very important issue to make  the  segment  more  hydrophobic  as  well  as  soluble  in  wa‐ ter.45,46 As a result, we obtained a PLGA‐b‐PEO diblock co‐ polymer with weight fractions of PLGA segments around  0.3 using methoxy poly(ethylene glycole) as a macro‐initi‐ ator and by adjusting amounts of glycolide and D,L‐lactide 

Page 2 of 12

monomers.  Also,  PLGA  segments  were  linked  chemically  at both ends of Pluronic F68 (EO75PO30EO75) triblock co‐ polymer  as  a  macro‐initiator  to  obtain  PLGA‐b‐PEO‐b‐ PPO‐b‐PEO‐b‐PLGA  pentablock  copolymers.  Molecular  weights were adjusted around 12,000 ~ 16,000 g/mol with  weight  fractions  of  PLGA  segments  around  0.3‐0.5  to  be  soluble in water. In this study, we report the synthesis and  characterization of hierarchically bimodal mesoporous sil‐ icas  templated  from  each  diblock  copolymer  and  pen‐ tablock copolymers without addition of swelling agents in  acidic aqueous solutions. We demonstrate the variation of  pore size by using more hydrophobic AB and CBABC type  block copolymer templates originated from geometric and  chemical structures which is different from a typical BAB  type Pluronic triblock copolymer template. To the best of  our knowledge, this is the first report to fabricate well‐de‐ fined hierarchical mesoporous silica samples using CBABC  type pentablock copolymers as a single template in acidic  aqueous solutions not by using EISA process.    EXPERIMENTAL SECTION  Materials.  The  diblock  copolymer  of  PLGA‐b‐PEO  was  synthesized  using  3,6‐dimethyl‐1,4‐dioxane‐2,5‐dione  (D,L‐lactide  (DLLA),  ~  98%),  1,4‐dioxane‐2,5‐dione  (gly‐ colide,  ≥  99%),  and  poly(ethylene  glycol)  methyl  ether  (MPEG, Mn ~ 2,000 g/mol) supported by tin(II) 2‐ethylhex‐ anoate (Sn(Oct)2,  92.5 ‐  100%) as a catalyst in anhydrous  toluene  (99.8%)  solvent.  The  pentablock  copolymers  of  PLGA‐b‐PEO‐b‐PPO‐b‐PEO‐b‐PLGA were synthesized us‐ ing Pluronic F68 triblock copolymer as macroinitiator, to‐ gether with D,L‐lactide, and glycolide. Pluronic F68, com‐ posed  of  30  propylene  oxide  units  and  75  ethylene  oxide  units at both ends, has molecular weight of 8,500 g/mol.  Ethyl acetate was used as a solvent to recrystallize D,L‐lac‐ tide,  and  glycolide  monomers  before  use.  Diethyl  ether  with low boiling point was used as a non‐solvent for sepa‐ ration  of  polymer  product.  Mesoporous  silica  materials  were  prepared  using  tetraethylorthosilicate  (TEOS),  hy‐ drochloric acid (HCl, ~ 37.0%), iron(III) chloride hexahy‐ drate (FeCl3∙6H2O, Ka = 6.3 × 10‐3), acetic acid (CH3COOH,  Ka = 1.8 × 10‐5), and ethanol in distilled water. All chemicals  were purchased from Aldrich.   Synthesis  of  Diblock  and  Pentablock  Copolymers.  D,L‐lactide  (DLLA)  and  glycolide  were  recrystallized  in  ethyl  acetate  solvent  and  stored  at  ‐2  oC  before  use.  A  PLGA‐PEO  diblock  copolymer  (DLGE23  in  Table  1)  was  synthesized by ring opening polymerization of cyclic D,L‐ lactide and glycolide monomers using a Sn(Oct)2 as cata‐ lyst,  followed  by  in‐situ  reaction  with  mono‐functional  poly(ethylene  glycol)  methyl  ether  (MPEG).  Detailed  ex‐ perimental procedures for DLGE23 diblock copolymer are  as follows: First, a three neck round‐bottom 1L flask with a  reflux condenser and a solvent trap was purged under ar‐ gon gas flow for at least 3 h to remove the moisture inside  the flask. 70 g of MPEG and 750 mL of toluene were mixed  in the flask by stirring for 3 h at 120  oC under argon flow.  After cooling the reaction flask to room temperature, 100  mL  of  solvent  was  removed  via  a  solvent  trap  connected  with the flask to remove remaining water trapped inside  

ACS Paragon Plus Environment

2

Page 3 of 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

Table 1. Characterization of PLGA‐PEO Diblock and PLGA‐PEO‐PPO‐PEO‐PLGA Pentablock Copolymersa  1H‐NMR 

GPC  No. of repeating unit  Mn  Mw  Mn  Molecular Formula  wLG  PDI  (g/mol)  (g/mol)  (g/mol)  PO  EO  LA  GA  DLGE23  0  34.9  6.4  2.2  (LA6GA2)EO35  2,138  0.275  3,300  3,660  1.11  PLGF68‐12  30  150  48.0  16.5  (LA24GA8)EO75PO30EO75(LA24GA8)  12,700  0.345  10,720  14,090  1.32  PLGF68‐16  30  150  89.9  23.0  (LA45GA12)EO75PO30EO75(LA45GA12)  16,100  0.483  11,520  17,060  1.48  a Repeating units: PO = propylene oxide, EO = ethylene oxide, LA = lactic acid, and GA = glycolic acid; molar mass (g/mol) was  calculated from molar mass of each unit: PO = 58, EO = 44, LA = 72, and GA = 58; wLG: weight fraction of poly(lactic acid‐co‐ glycolic acid) block in total chain; Mn is the number‐average molecular weight and Mw is the weight‐average molecular weight;  PDI = polydispersity index of Mw/Mn.  Sample 

MPEG. Then, 24 g of D,L‐lactide, 6 g of glycolide, and 0.3 g  of Sn(Oct)2 were added into the flask under argon flow. Af‐ ter further stirring for 24 h at 120 oC under argon flow, the  flask was cooled to room temperature. The block copoly‐ mers were precipitated in 4,500 mL of diethyl ether in a 5  L  beaker  for  3  d.  The  final  diblock  copolymers  as  white  powders were obtained after filtering using a suction flask  and drying for 7 d under vacuum.   PLGA‐PEO‐PPO‐PEO‐PLGA  pentablock  copolymers  (PLGF68‐12 and PLGF68‐16 in Table 1) were synthesized by  initiating polymerization of D,L‐lactide and glycolide from  both  ends  of  Pluronic  F68  triblock  copolymer.  A  typical  polymerization procedure of PLGF68‐12 pentablock copol‐ ymer is similar to that of dibock copolymer as follows: Af‐ ter purging a vacant three neck round‐bottom 1L flask for  3 h under argon flow, 63.2 g of Pluronic F68 and 750 mL of  toluene were mixed in the flask by stirring for 3 h at 120 oC  maintaining argon flow. After cooling the reaction flask to  room temperature, 100 mL of solvent was removed. Then,  29.4  g  of  D,L‐lactide,  7.4  g  of  glycolide,  and  0.37  g  of  Sn(Oct)2 were added into the flask under argon flow. After  further  reaction  for  24  h  at  120  oC  under  argon  flow,  the  flask  was  cooled  to  room  temperature.  The  final  pen‐ tablock copolymer powders were obtained after aforemen‐ tioned precipitating in diethyl ether, filtering, and drying  processes.   Characterization of Diblock and Pentablock Copoly‐ mers. The chemical structures and compositions of the di‐ block  and  pentablock  copolymers  were  confirmed  by  1 HNMR performed on Varian Unity (INOVA) 500 MHz sys‐ tem at Korea Basic Science Institute (KBSI) Daegu center.  The copolymers were dissolved in CDCl3. Chemical shifts  were  calibrated  using  tetramethylsilane  (TMS)  as  refer‐ ence.  The relative molecular weights of diblock and pentablock  copolymers were characterized by EcoSEC HLC 8320 GPC  system (Tosoh Co.) equipped with a differential refractom‐ eter  at  Korea  Polymer  Testing  and  Research  Institute  (KOPTRI). The block copolymer samples were dissolved in  tetrahydrofuran  (THF)  to  prepare  3  mg/mL  solution  and  filtered with PTFE syringe filter with pore diameter of 0.45  μm. 10 μL solution was injected into the GPC column with  a flow rate of 0.35 mL/min at 40 oC. The molecular weights  were  obtained  using  narrowly  dispersed  polystyrene  as  standards (the molecular weights of each PS standard used  in calibration were 590, 2,600, 10,000, 18,000, 96,000,  

Table 2. Experimental Conditions for Mesoporous Sil‐ ica Samples Prepared in this Study  sample 

template  co‐solvent 

acid 

Cacida 

MSD‐1 

DLGE23 

none 

HCl 

1 M 

MSD‐2 

DLGE23 

ethanol 

HCl 

1 M 

MSD‐3 

DLGE23 

none 

HCl 

1 M 

MSP‐1 

PLGF68‐12  ethanol 

HCl 

2 M 

MSP‐2 

PLGF68‐16  ethanol 

HCl 

2 M 

MSP‐3 

PLGF68‐16  ethanol  FeCl3∙6H2O 

MSP‐4 

PLGF68‐16  ethanol 

Fe/Sib = 5 

CH3COOH  AA/Sic = 5 

Notation: aCacid = acid concentration, bFe/Si = 5: molar ratio  of FeCl3∙6H2O/TEOS in the initial reactants, cAA/Si = 5: molar  ratio of CH3COOH/TEOS in the initial reactants.  

190,000,  705,000,  and  1,090,000  g/mol,  respectively.;  see  Supporting Information Figure S1).  Thermogravimetric (TG) analysis was performed on a TA  Q50  instrument.  TG  profiles  were  recorded  up  to  800  oC  with a heating rate of 5 oC/min in flowing nitrogen of 100  mL/min as well as in flowing mixed gas composed of air of  40 mL and nitrogen of 60 mL.       Sol‐Gel  Synthesis  of  Mesoporous  Silica  Samples.  1)  Mesoporous silica in the presence of a DLGE23 diblock co‐ polymer (samples denoted as MSD‐1~3 in Table 2): 0.5 g of  DLGE23  polymer  template  was  dissolved  completely  in  a  mixture of 3.5 g of HCl (~37%) and 31.5 g of distilled water  by stirring at 30 oC for 2 h. Next, 2.6 g of TEOS was added  and  stirred  for  about  30  min  to  obtain  the  precipitates.  Then, the solid precipitate was aged at a quiescent condi‐ tion of 30  oC for 20 h, followed by additional aging at 100  o C for 24 h in a convection oven. The solid precipitate was  stirred with the mixture of 54 mL of ethanol and 6 mL of  HCl at 80  oC for 24 h, followed by filtration with an ade‐ quate amount of acetone and ethanol using a suction flask and membrane filter papers. Final solid samples were ob‐ tained after drying at 80  oC for 24 h in a convection oven.  MSD‐2 sample (Table 2) was prepared with addition of 2  mL of ethanol and slightly smaller amount of distilled wa‐ ter at the same 1 M of HCl solution. MSD‐3 sample was pre‐ pared with larger amount of TEOS precursors at the same  acidic condition with MSD‐1.   

 

ACS Paragon Plus Environment

3

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 4 of 12

Table 3. Physicochemical Analysis of Mesoporous Silica Samples Prepared in this Studya  DKJS (nm) 

Vbimodal (cm3/g) 

sample 

SBET  (m2/g) 

Vt  (cm3/g) 

Vmeso  (cm3/g) 

Vmicro  (cm3/g) 

large 

d  (nm) 

a  (nm) 

small 

large 

small 

MSD‐1 

704 

0.4534 

0.3644 

0.0375 

2.36 

8.08 

0.2750 

0.0699 

10.70 

12.35 

MSD‐2 

687 

0.4988 

0.4443 

0.0250 

2.88 

8.90 

0.3686 

0.0569 

11.42 

13.18 

MSD‐3 

578 

0.3817 

0.3245 

0.0231 

2.87 

7.70 

0.2671 

0.0526 

10.70 

12.35 

MSP‐1 

546 

0.4373 

0.4005 

0.0254 

3.25 

13.87 

0.2338 

0.1466 

17.92 

n.d. 

MSP‐2 

698 

0.6247 

0.5245 

0.0377 

2.90 

19.68 

0.2668 

0.2413 

22.36 

n.d. 

MSP‐3 

570 

0.7387 

0.6486 

0.0155 

5.27 

12.19 

0.3157 

0.2725 

17.57 

n.d. 

MSP‐4 

811 

0.9378 

0.8707 

0.0274 

4.01 

11.84 

0.3910 

0.4380 

17.13 

n.d. 

aNotation: S BET = BET specific surface area; Vt = total pore volume measured at relative pressure (P/P0) of 0.99, Vmeso = mesopore  volume calculated by integration of the PSD curve in pore diameter range of 2 nm – 50 nm, Vmicro = micropore volume calculated  by integration of the PSD curve in pore diameter range of 0 – 2 nm, DKJS = pore diameters calculated at the small and large peak  maximums of PSD by KJS method, Vbimodal = partial pore volumes calculated by integration of the PSD curve representing the small  and large maximums, respectively, d = Bragg’s d‐spacing (= 2π/q*, q* is the q‐value at the maximum of SAXS peak), a = unit cell  parameter (= 2d100/√3 for p6mm). 

2) Mesoporous silica in the presence of a PLGF68‐12 pen‐ tablock copolymer (sample denoted as MSP‐1 in Table 2):  0.5 g of PLGF68‐12 polymer template was dissolved com‐ pletely in a mixture of 1 mL of ethanol, 7 g of HCl (~37%),  and  27.0  g  of  distilled  water  by  stirring  at  30  ℃  for  2  h.  Then, 2.0 g of TEOS was added and stirred for about 1 h to  obtain precipitate.   3) Mesoporous silica in the presence of a PLGF68‐16 pen‐ tablock copolymer (sample denoted as MSP‐2~4 in Table  2):  0.5  g  of  PLGF68‐16  polymer  template  was  dissolved  completely  in  a  mixture  of  6  mL  of  ethanol,  11  g  of  HCl  (~37%), and 38.0 g of distilled water by stirring at 30 ℃ for  2 h. Then, 2.1 g of TEOS was added and stirred for about 1  h to obtain precipitate.   MSP‐3  and  MSP‐4  samples  were  prepared  with  an  ade‐ quate amount of FeCl3∙6H2O (i.e. molar ratio of Fe/TEOS =  5) and acetic acid (i.e. molar ratio of acetic acid/TEOS = 5)  instead of strong acidic conditions such as 2 M HCl solu‐ tion used when preparing MSP‐2. The aging and filtration  steps of synthesis methods 2) and 3) proceeded at the same  procedure as done in method 1).  Characterization of Mesoporous Silica Samples. The  nanostructures  of  mesoporous  silica  samples  were  ana‐ lyzed by synchrotron small angle X‐ray scattering (SAXS),  nitrogen  adsorption‐desorption  experiments,  and  trans‐ mission  electron  microscopy  (TEM).  The  morphologies  were  analyzed  by  scanning  electron  microscopy  (SEM).  Chemical  structure  and  composition  was  confirmed  by  solid state 29Si cross polarization (CP)‐MAS NMR.   The SAXS experiments were performed using the 3C and  4C  beamlines  of  Pohang  radiation  accelerator  laboratory  with synchrotron radiation (E = 10.5199 keV, λ = 1.1785 Å).  The distance from sample to detector was fixed both at 1 m  and 3 m to obtain peak position more exactly at very small  angles. Each powder sample was placed in a sample holder  made of copper alloy and both sides were protected with  Kapton  tape  and  then  measured  in  room  temperature. 

Exposure time to obtain SAXS patterns was in the range of  0.1 ~ 5 s per sample.   The  nitrogen  adsorption‐desorption  isotherms  were  measured  at  ‐198  oC  with  a  Micromeritics  2420  analyzer.  The samples were pretreated for over 2 h at 500 oC in vac‐ uum  to  remove  other  gases  in  the  sample.  The  BET  (Brunauer‐Emmet‐Teller)  specific  surface  area  (SBET)  was  calculated  from  adsorption  isotherms  with  relative  pres‐ sures between 0.05 and 0.2. Single point pore volume (Vt)  was obtained from the amount of nitrogen adsorbed at a  relative pressure of 0.99. Pore size distributions (PSD) were  calculated  from  adsorption  isotherms  using  Barrett‐ Joyner‐Halenda  (BJH)  method  with  Kruk‐Jaroniec‐Sayari  (KJS) correction for cylindrical mesopores.47 The pore vol‐ ume for bimodal pores was obtained by the integration of  PSD curve for each peak. The physicochemical properties  obtained  by  SAXS  and  nitrogen  adsorption‐desorption  were summarized in Table 3.  TEM images were obtained using a FEI TECNAI G2 F30  ST transmission electron microscope operated at an accel‐ erating  voltage  of  200  kV.  The  specimens  were  prepared  with sonication for 2 h dispersing in acetone followed by  dropping onto a porous carbon film on a meshed copper  grid.  SEM  images  were  obtained  using  a  TESCAN  VEGA3  in‐ strument at 20.0 kV. Solid‐state 29Si CP‐MAS NMR spectra were obtained using  a  Bruker  AVANCE  II  +  (400  MHz)  instrument  equipped  with  a  4  mm  magic  angle  spinning  (MAS)  probe  at  the  Seoul West Center, Korea Basic Science Institute. The ex‐ periments were performed at a spinning rate of 6  kHz,  a  delay time of 3 s, a contact time of 2 ms, and a radio fre‐ quency of 79.488 MHz. Chemical shifts were calibrated us‐ ing tetramethylsilane (TMS) as an internal reference.  

ACS Paragon Plus Environment

4

Page 5 of 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry RESULTS AND DISCUSSION 

Characterization of Diblock and Pentablock Copoly‐ mers. A PLGA‐PEO diblock copolymer and two kinds  of  PLGA‐F68‐PLGA  block  copolymers  with  different  block  lengths were synthesized by step‐growth polymerization of  cyclic D,L‐lactide and glycolide monomers. Their molecu‐ lar weights and compositions are summarized in Table 1.  Molecular  weight  of  PLGA  block  was  controlled  by  the  amount  of  D,L‐lactide  and glycolide  monomers  to  adjust  its volume fraction around as 0.3 for diblock copolymers.  The  volume  fractions  of  PLGA  blocks  in  two  pentablock  copolymers were adjusted to be around 0.3 and 0.5, respec‐ tively.   Figure 1(a) shows the chemical structures of diblock and  pentablock copolymers and corresponding protons shown  in 1HNMR. Figure 1(b) shows 1H NMR spectra of a DLGE23  diblock  copolymer  (spectrum  A)  and  PLGF68‐12  and  PLGF68‐16  pentablock  copolymers  (spectrum  B  and  C).  The degree of polymerizations (m, n) of PLGA block in a  poly{(lactic acid)m‐co‐(glycolic acid)n}‐b‐poly(ethylene ox‐ ide)35 diblock copolymer were obtained by calculating the  peak  intensity  ratios  of  methyl  (f,  ‐O‐CH(CH3)‐CO‐,  δ  =  1.45‐1.79)  and  methylene  (d,  ‐OCH2‐CO‐,  δ  =  4.55‐5.00)  protons of lactic acid (LA) and glycolic acid (GA) repeating  units, respectively.45,46,48,49 The final degree of polymeriza‐ tion for m and n was calibrated on the basis of the number  of PEO unit (b, ‐O(CH2CH2O)35‐, δ = 3.50‐3.75) and meth‐ oxy group at the end of PEO chain (a, ‐O(CH2CH2O)35‐CH3,  δ  =  3.35).45,46,48,49  The  small  resonance  peak  at  4.20‐4.40  ppm  is  attributed  to  methylene  protons  (c,  ‐CO‐O‐CH2‐ CH2‐O‐) in PEO block linked with ester group in LA or GA  as shown in Figure 1(b‐A).45,46,48,49 The other two resonance  peaks appeared at 2.50‐2.70 and 5.05‐5.45 ppm correspond  to protons in hydroxyl group and C‐H bond in LA or GA  units, respectively, which were used as supporting peaks to  calculate the final repeating units. Through  1H NMR anal‐ ysis,  the  number‐average  molecular  weight  (Mn)  of  DLGE23 diblock copolymer was determined as 2,138 g/mol  and  the  weight  fraction  of  PLGA  block  was  obtained  as  0.275,  as  listed  in  Table  1.  The  degree  of  polymerizations  (m,  n)  of  PLGA  block  in  poly{(lactic  acid)m‐co‐(glycolic  acid)n}‐b‐poly(ethylene  oxide)75‐b‐poly  (propylene  ox‐ ide)30‐b‐poly(ethylene  oxide)75‐b‐poly{(lactic  acid)m‐co‐ (glycolic  acid)n}  pentablock  copolymer  were  also  calcu‐ lated by the similar method to the aforementioned diblock  copolymer.  The  final  numbers  (m,  n)  of  repeating  units  were calibrated on the basis of the number of PPO unit (a,  ‐OCH2‐CH(CH3)‐, δ = 1.05‐1.25) in the F68 triblock copoly‐ mer. The small peak at 4.20‐4.40 ppm was also found both  in Figure 1(b‐B) and Figure 1(b‐C), which clearly indicates  the chemical linkage is formed successfully between PEO  block in F68 and LA or GA unit. From the 1H NMR results,  each number of repeating units, Mn, and the weight frac‐ tions of PLGA blocks for two kinds of pentablock copoly‐ mers were calculated and summarized in Table 1.   Gel permeation chromatography (GPC) analysis was per‐ formed to obtain the number‐ (Mn) and the weight‐average  molecular weights (Mw) of diblock and pentablock copoly‐ mers.  Figure  2(a)  shows  very  narrow  GPC  distribution  curves  with  elution  time  for  DLGE23  diblock  copolymer 

Figure 1. (a) Molecular structures and respective positions of  each H atom for diblock (PLGA‐PEO) and pentablock (PLGA‐ PEO‐PPO‐PEO‐PLGA) copolymers synthesized in this study.  (b) 1H‐NMR spectra and corresponding resonance peak index  for a diblock copolymer (A) and two kinds of pentablock co‐ polymers (B, C), respectively. 

and  PLGF68‐12  and  PLGF68‐16  pentablock  copolymers.  The Mn of DLGE23 diblock copolymer and PLGF68‐12 and  PLGF68‐16  pentablock  copolymers  was  determined  as  3,300,  10,720,  and  11,520  g/mol,  respectively.  The  Mw  was  obtained accordingly as 3,660, 14,090, and 17,060, respec‐ tively.  Polydispersity  indices  (PDI)  were  obtained  as  1.11,  1.32,  and  1.48,  respectively,  for  DLGE23,  PLGF68‐12,  and  PLGF68‐16 block copolymers. The GPC results are summa‐ rized in Table 1.   TG thermograms were used to study the thermal stability  of diblock and pentablock copolymers. Figure 2(b) shows  the weight percent for DLGE23, PLGF68‐12, and PLGF68‐ 16 block copolymers up to 800   in flowing nitrogen. The  thermal  degradation  was  found  to  be  distinct  two‐step  transition with the first step from 160   to 260   and the  second  step  from  320    to  400  ,  corresponding  to  the 

ACS Paragon Plus Environment

5

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 6 of 12

Figure  3.  Synchrotron  SAXS  patterns  for  mesoporous  silica  samples prepared with diblock (a) and pentablock copolymer  templates (b). Each pattern represents the following samples,  respectively:  (a‐A)  MSD‐1,  (a‐B)  MSD‐2,  (a‐C)  MSD‐3,  (b‐A)  MSP‐1, (b‐B) MSP‐2, (b‐C) MSP‐3, and (b‐D) MSP‐4. 

Figure 2. Gel permeation chromatography curve (a) and ther‐ mogravimetric  analysis  in  flowing  nitrogen  (b)  of  a  diblock  (PLGA‐PEO) and two kinds of pentablock (PLGA‐PEO‐PPO‐ PEO‐PLGA) copolymers synthesized in this study. 

thermal degradation of PLGA and PEO/PPO chains in co‐ polymers, respectively. There was no weight change up to  160    suggesting  most  of  PLGA  chains  were  covalently  bonded  to  MPEG  or  F68  chains.49  The  remaining  weight  percent at the end point of the first step (i.e. 300  ) were  72,  66,  and  52,  respectively,  for  DLGE23,  PLGF68‐12,  and  PLGF68‐16  block  copolymers,  nearly  identical  to  the  weight percent of PEO and F68 block in each block copol‐ ymer system, which was obtained from 1H NMR spectra, as  listed in Table 1. On the other hand, TG and differential TG  (DTG) thermograms, obtained in flowing air, did not show  distinct  two‐step  transition  for  thermal  degradation  as  shown in Figure S2 (see supporting Figure S2). TGA ther‐ mograms strongly suggested the weight fractions of PLGA  block can be obtained as the supporting data of  1H NMR  analysis and PLGA blocks can be removed selectively.   Characterization  of  Mesoporous  Silicas  Prepared  with  Diblock  and  Pentablock  Copolymer  Templates.  Hydrophilic (B)‐b‐hydrophobic (A) typed diblock copoly‐ mer and CBABC typed pentablock copolymers with more  hydrophobic block (C) at the chain ends, were synthesized  as soft templates for preparation of mesoporous silica. The  sample name and the corresponding experimental condi‐ tions used are listed in Table 2. Figure 3(a‐A, a‐B, a‐C) are  SAXS patterns of MSD‐1, MSD‐2, and MSD‐3 samples, re‐ spectively, prepared in the presence of the DLGE23 diblock  copolymer template and a TEOS inorganic precursor un‐ der 1 M HCl condition. MSD‐2 was prepared with increased 

solubility by addition of ethanol and MSD‐3 was prepared  with  larger  amount  of  a  TEOS  precursor  compared  with  MSD‐1 sample. As can be seen in Figure 3(a), SAXS patterns  of  three  MSD  samples  exhibited  p6mm  hexagonal  struc‐ ture  with  small  high‐order  diffraction  peaks  at  the  posi‐ tions of √3 and √4 on the basis of Bragg’s peaks. The Bragg’s  spacing (d) of each sample (i.e., dsp = 2π/q*) calculated from  the  first  maximum  peak  (q*)  was  in  the  range  of  10.70  –  11.42  nm.  MSD‐2  sample  showed  the  highest  d‐spacing  value  of  11.42  nm,  as  indicated  in  Figure  3(a),  while  the  Bragg’s  peak  is  broader  and  the  high‐order  peaks  are  smaller than the other samples, suggesting that its struc‐ tural integrity is the lowest among three samples. MSD‐3  sample  showed  the  strongest  but  split  high‐order  peaks,  suggesting  that  the  structural  integrity  is  better  than  the  other samples but the structural regularity is not so good.  Accordingly, the unit cell parameter (a = 2d100/√3) of each  sample was calculated in the range of 12.35 – 13.18 nm, as  listed in Table 3. Also, it was found that MSD mesoporous  silica  samples  prepared  in  the  presence  of  a  DLGE23  di‐ block copolymer template exhibited better SAXS patterns  under 1 M HCl condition than the other acidic conditions  (data  not  shown).  Figure  3(b‐A)  is  the  SAXS  pattern  of  MSP‐1 prepared in the presence of a PLGF68‐12 pentablock  copolymer template under 2 M HCl condition and Figure  3(b‐B,  b‐C,  and  b‐D)  are  for  MSP‐2,  MSP‐3,  and  MSP‐4  samples,  respectively,  prepared  using  a  PLGF68‐16  pen‐ tablock copolymer template at different acidic conditions.  MSP‐2 sample was prepared under a strong acidic condi‐ tion of 2 M HCl solution while MSP‐3 and MSP‐4 samples  were  prepared  with  weakly  acidic  conditions,  including  molar ratios of FeCl3∙6H2O/TEOS = 5 and acetic acid/TEOS  = 5, respectively. All SAXS patterns in Figure 3(b) exhibited  a Bragg’s peak and the second diffracted peak at the posi‐ tion  of  √3  while  each  peak  showed  broader  FWHM  than 

ACS Paragon Plus Environment

6

Page 7 of 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

Figure 5. Pore size distributions for mesoporous silica samples  prepared  with  diblock  (a)  and  pentablock  copolymer  tem‐ plates (b).

Figure 4. Nitrogen adsorption‐desorption isotherms for mes‐ oporous  silica  samples  prepared  with  diblock  (a)  and  pen‐ tablock copolymer templates (b).

typical diffraction patterns for highly ordered mesoporous  structures. However, the Bragg’s spacing values (d) of each  sample increased in the range of 17.13 – 22.36 nm, which is  nearly  twice  of  the  typical  values  for  mesoporous  silicas  prepared with diblock copolymer templates in solution. As  shown  in  Figure  3(b),  MSP‐2  sample  prepared  under  2M  HCl solution showed the highest d‐spacing value of 22.36  nm,  while  MSP‐3  and  MSP‐4  samples  prepared  under  weakly  acidic  conditions  showed  the  lowest  d‐spacing  value of 17.23 nm. It is noted that d‐spacing increased un‐ der  strongly  acidic  condition  and  it  decreased  under  weakly acidic conditions in the presence of pentablock co‐ polymer templates. The smaller d‐spacing value of MSP‐1  sample (17.92 nm) than that  of MSP‐2 sample (22.36 nm)  at  the  same  acidic  condition  could  be  attributed  to  the  length  of  hydrophobic  block.  Figure  3(b)  represents  the  characteristic pore‐to‐pore distance can be tailored by var‐ ying the lengths of pentablock copolymers and acidic con‐ ditions.                   Figure  4(a,b)  show  the  nitrogen  adsorption‐desorption  isotherms for the aforementioned mesoporous silica sam‐ ples prepared in the presence of diblock copolymer (Figure  4(a)) and pentablock copolymers (Figure 4(b)). As can be  seen in Figure 4(a,b), the nitrogen adsorption‐desorption  isotherms for all samples showed typical type IV patterns  with a H2 hysteresis, indicating significant uptake of nitro‐ gen gas. The hysteresis is attributed to condensation‐evap‐ oration of nitrogen gas determined by capillary force inside  mesopores. The significant hysteresis was observed in the 

range of 0.4 – 0.8 of relative pressure (P/P0) for MSD sam‐ ples, as shown in Figure 4(a). The BET specific surface ar‐ eas for MSD samples were in the range of 578 – 704 m2/g  and the pore volumes were in the range of 0.3817 – 0.4988  cm3/g, as listed in Table 3. MSD‐2 sample showed the high‐ est  total  pore  volume  as  0.4988  cm3/g  and  the  mesopore  volume as 0.4443 cm3/g which was estimated only in the  range of 2 – 50 nm. Figure 4(b) for MSP samples indicate  more broad H2 hysteresis in the range of 0.4 – 0.9 of relative  pressure (P/P0) than MSD samples and significant gas up‐ take in the range of 0.75 ‐ 0.9. The BET specific surface ar‐ eas for MSP samples were in the range of 546 – 811 m2/g and  the  pore  volumes  were  in  the  range  of  0.4373  –  0.9378  cm3/g, as listed in Table 3. MSP‐4 sample showed the high‐ est  total  pore  volume  as  0.9378  cm3/g  and  the  mesopore  volume  as  0.8707  cm3/g.  In  the  case  of  using  pentablock  copolymer  templates,  the  BET  surface  area  and  the  pore  volume  increased  at  weakly  acidic  conditions,  especially  for MSP‐4 sample prepared with acetic acid.   Figure  5(a,b)  show  the  pore size  distributions  (PSD)  for  MSD (a) and MSP (b) mesoporous silica samples, respec‐ tively,  which were  obtained  by  BJH  method  corrected by  KJS  method.  All  PSD  curves  indicate  the similar  bimodal  distributions  in  the  mesopore region  of  2  –  50  nm,  as  shown in Figure 5 and Table 3. Similar bimodal structure  was reported in mesoporous silica samples prepared with  poly(ethylene  oxide)‐poly(butylene  oxide)‐poly(ethylene  oxide) (EO39BO47EO39) B50‐6600 triblock copolymer tem‐ plate in which the pore size distribution was adjusted by  reaction  temperature  during  sol‐gel  process.17  However,  the B50‐6600 templated mesoporous silicas did not show  large pores greater than 10 nm and smaller pore size distri‐ butions contain micropores beyond mesopore regime.17 It  is believed that hierarchical mesopore structures were at‐ tributed  to  kinetically‐  and  sterically  driven  bimodal  mi‐ cellar structure when using longer and more hydrophobic  block  copolymer  chains  were  used  in  acidic  solutions.  Larger mesopores show smaller portion between two PSD  maximum peaks for all samples except for MSP‐4 sample  by comparing pore volumes obtained by integrating each  peak,  as  listed  in  Table  3.  The  volume  fraction  of  larger 

ACS Paragon Plus Environment

7

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Figure 6. TEM images for MSD‐3 (a‐1,a‐2) and MSP‐2 (b‐1,b‐ 2,b‐3,b‐4)  mesoporous  silica  samples  prepared  with  diblock  and pentablock copolymer templates. 

micellar structure when using longer and more hydropho‐ bic block copolymer chains were used in acidic solutions.   mesopores in MSP‐4 samples were calculated as 0.53 from  Table 3. In the case of using a DLGE23 diblock copolymer  template, MSD‐2 sample showed the largest pore diameter  of 8.90 nm with smaller mesopore of 2.88 nm, as listed in  Table 3. Among MSP samples, MSP‐2 showed the largest  pore diameter of 19.68 nm with smaller mesopore of 2.90  nm.  The  pore  wall  thickness  of  MSD  samples  can  be  ob‐ tained as 4.27 – 4.65 nm by subtracting the larger pore di‐ ameter  from  the  hexagonal  unit  cell  length  (a).  The  wall  thickness for MSP samples was estimated in the range of 6  – 8 nm by assuming hexagonal array of mesopores. Overall  physicochemical parameters for bimodal mesoporous sam‐ ples prepared in this study are summarized in Table 3.   Figure  6(a,  b)  show  TEM  images  for  MSD‐3  and  MSP‐2  samples prepared with a DLGE23 diblock and a PLGF68‐16  pentablock copolymer template, respectively. Figure 6(a‐1,  a‐2) representing MSD‐3 sample exhibited highly ordered  mesopores  with  p6mm  symmetry,  corroborating  with  SAXS patterns shown in Figure 3(a‐C). Figure 6(b‐1, b‐2, b‐ 3, and b‐4) from MSP‐2 exhibit core‐shell type of mesopo  rous  structures  consisting  of  aggregated  and  nanometer‐ sized  particles  with  mesopores  as  the  core.  Figure  6(b‐4)  shows distinct pore size of ~ 20 nm in diameter in core and 

Page 8 of 12

Figure 7. SEM images for mesoporous silica samples prepared  with diblock (a‐d) and pentablock copolymer templates (e‐h):  (a,b) MSD‐2, (c,d) MSD‐3, (e,f) MSP‐1, and (g,h) MSP‐2. Mag‐ nification of left‐side 4 photos (a, c, e, and g) is the same as  1,000 times and the right‐side 4 photos (b, d, f, and h) were  taken as 5,000 times.  

the shell thickness is ~ 29 ‐ 34 nm, as indicated in the Fig‐ ure. TEM images for MSP‐2 sample also clearly support the  information about pores size and structure obtained from  SAXS  pattern  and  nitrogen  adsorption‐desorption  iso‐ therm.   Figure  7  shows  the  SEM  images  for  mesoporous  silica  samples  prepared  in  this  study.  As  seen  in  Figure  7(a‐d),  silica particles templated from diblock copolymers, MSD‐2  and MSD‐3, exhibit similar spherical shape with diameter  in the range of 3 – 8 μm. Particles prepared with pentablock  copolymer  templates  exhibit  spherical  shape  but  smaller  particle diameter, e.g. 2 ‐ 7 μm for MSP‐1 sample as seen  from Figure 7(e,f), and MSP‐2 has quite a large amount of   nanoparticle below 1 μm as well as spherical particles with  particle diameter of 2 ‐ 7 μm, as shown in Figure 7(g,h).   We further investigated the chemical nature of the mes‐ oporous  silica  by  solid  state  29Si  CP‐MAS  NMR.  Figure  8(a,b) shows the 29Si CP‐MAS NMR spectra for mesoporous  silica  samples  prepared  with  diblock  (a)  and  pentablock  copolymer templates (b), respectively. All spectra show the  Q resonance peaks at ‐91, ‐101, and ‐111 ppm, corresponding  to  Q2  ((HO)2‐Si‐(OSi)2),  Q3  ((HO)‐Si‐(OSi)3),  and  Q4  (Si‐ (OSi)4), respectively. These peaks are commonly found in 

ACS Paragon Plus Environment

8

Page 9 of 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry mesostructured silica in acidic aqueous solution. It is be‐ lieved  that  the  preparation  of  bimodal  mesoporous  silica  could  be  achieved  from  hierarchical  micellar  system  in  aqueous solution by adjusting the solvency of block copol‐ ymer chains and pH. Also, AB, ABA, and CBABC type block  copolymers with hydrophobic B and more hydrophobic C  blocks  can  have  advantages  for  preparation  of  bimodal  mesostructure  due  to  their  stronger  driving  force  to  pre‐ pare kinetically‐ and sterically‐driven multimodal micelles. 

Figure 8. Solid‐state 29Si CP‐MAS NMR spectrum for mesopo‐ rous silica samples prepared with diblock (a) and pentablock  copolymer templates (b). 

mesoporous silica and the Q2 and Q3 peaks are the result of  incomplete condensation of silica precursors during sol‐gel  reaction.  The  condensation  efficiency  can  be  estimated  from  the  molar  fraction  of  (Q3  +  Q4),  which  were  in  the  range of 80 – 88%, as listed in Table S1 (see supporting in‐ formation Table S1). The results suggest the siloxane bonds  in mesoporous materials are well formed in the presence  of diblock and pentablock copolymer templates.     CONCLUSIONS  A PLGA‐PEO diblock (Mn ~ 2,100 Da, wPEO ~ 0.73) and two  PLGA‐PEO‐PPO‐PEO‐PLGA pentablock copolymers (Mn ~  12,700 Da, wPPO+PEO ~ 0.65; Mn ~ 16,100 Da, wPPO+PEO ~ 0.52)  were successfully synthesized through a facile step‐growth  polymerization method. 1H‐NMR, GPC, and TGA measure‐ ments  confirmed  the  chemical  structure  and  molecular  weight of the synthesized block copolymers. Mesoporous  silica samples were synthesized in the presence of diblock  and pentablock copolymer templates under acidic aqueous  conditions. For all the samples, bimodal mesoporous silica  samples  were  obtained  by  using  each  single  copolymer  template, which were confirmed by PSD curves calculated  by  BJH  and  KJS  methods  using  nitrogen  adsorption  branches.  Hexagonally  (p6mm)  ordered  mesoporous  sili‐ cas  were  obtained  from  the  diblock  copolymer  template  with bimodal pore size distributions in the range of 2 – 9  nm. In the case of using pentablock copolymer templates,  core‐shell  type  mesoporous  silicas  were  prepared,  which  also exhibited the bimodal pore size distribution contain‐ ing small pores with diameters around 2.90 – 5.27 nm and  large  pore  diameters  up  to 20  nm  surrounded  with  thick  shell of 34 nm. It is noteworthy that bimodal mesoporous  silicas with large pores greater than 10 nm were obtained  without  using  additives  even  in  the  weakly  acidic  condi‐ tions including iron chloride and acetic acid. The pore size  increased by using longer pentablock copolymer template  and  strong  acidic  conditions.  This  report  clearly  demon‐ strated  a  new  fabrication  method  for  hierarchically 

The bimodal mesoporous silica can be used as specific ad‐ sorbents for increasing diffusion paths and amount of ad‐ sorbed  molecules  inside  the  pores.  Also,  core‐shell  type  mesoporous silica materials can be used as support mate‐ rials  for  controlled  release  of  guest  molecules.  Further‐ more,  it  is  expected  that  mesoporous  silicas  with  large  mesopores can host larger molecules and the large mole‐ cules can be fixed and perform any chemical reactions in‐ side the mesopores.      ASSOCIATED CONTENT   Supporting Information. GPC calibration fit using polysty‐ rene standard samples, TGA and DTG thermograms for block  copolymers in flowing air, and NMR peak integration for mes‐ oporous  materials  prepared  in  this  study.  This  material  is  available free of charge via the Internet at http://pubs.acs.org.  

  AUTHOR INFORMATION  Corresponding Author  *E.‐B. Cho (E‐mail: [email protected], Tel: +82‐2‐970‐ 6729) and S. Yang (E‐mail: [email protected], Tel:  +1‐215‐898‐9645).    Author Contributions  The  manuscript  was  written  through  E.‐B.  Cho  and  S.   Yang’s main contributions. Experimental works were orga‐ nized by E.‐B. Cho and conducted by D. Lee and E. Choi.  All authors have given approval to the final version of the  manuscript.      ACKNOWLEDGMENT   E.‐B. Cho acknowledges supports under the Basic Science  Research Program through the National Research Founda‐ tion of Korea funded by the Ministry of Education (NRF‐ 2014R1A1A2059947  and  NRF‐2017R1D1A1B03027982).  Ex‐ periments at PLS‐II were supported in part by MSICT and  POSTECH.     REFERENCES  (1) Kresge, C. T.; Leonowicz, M. E.; Roth, W. J.; Vartuli, J.  C.; Beck, J. S. Ordered Mesoporous Molecular Sieves Syn‐ thesized by a Liquid‐Crystal Template Mechanism. Nature  1992, 359, 710‐712.   (2) Beck, J. S.; Vartuli, J. C.; Roth. W. J.; Leonowicz, M. E.;  Kresge, C. T.; Schmitt, K. D.; Chu, C. T. W.; Olson, D. H.;  Sheppard,  E.  W.;  McCullen,  S.  B.;  et  al.  A  New  Family  of  Mesoporous Molecular Sieves Prepared with Liquid Crystal  Template. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 10834‐10843. 

ACS Paragon Plus Environment

9

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

(3) Hartmann, M. Ordered Mesoporous Materials for Bi‐ oadsorption and Biocatalysis. Chem. Mater. 2005, 17, 4577‐ 4593.  (4) Fan, J.; Yu, C. Z.; Gao, T.; Lei, J.; Tian, B. Z.; Wang, L.  M.; Luo, Q.; Tu, B.; Zhou, W. Z.; Zhao, D. Cubic Mesopo‐ rous Silica with Large Controllable Entrance Sizes and Ad‐ vanced Adsorption Properties. Angew. Chem. Int. ed. 2003,  42, 3146‐3150.   (5) Grün. M.; Kurganov. A. A.; Schacht. S.; Schüth. F.; Un‐ ger, K. K. Coparison of an Ordered Mesoporous Alumino‐ silicate,  Silica,  Alumina,  Titania  and  Zirconia  in  Normal‐ Phase High‐Performance Liquid Chromatography. J. Chro‐ matogr. A 1996, 740, 1‐9.  (6) Zhao, J.; Gao, F.; Fu, Y.; Jin, W.; Yang, P.; Zhao, D. Bi‐ omolecule Separation Using Large Pore Mesoporous SBA‐ 15 as a Substrate in High Performance Liquid Chromatog‐ raphy. Chem. Commun. 2002, 752‐753.  (7) Corma, A. From Microporous to Mesoporous Molecu‐ lar Sieve Materials and Their Use in Catalysis. Chem. Rev.  1997, 97, 2373‐2420 

Page 10 of 12

(17) Matos, J. R.; Mercuri, L. P.; Kruk, M.; Jaroniec, M. Syn‐ thesis of Large‐Pore Silica with Cage‐Like Structure Using  Sodium Silicate and Triblock Copolymer Template. Lang‐ muir 2002, 18, 884‐890.  (18) Jain, A.; Wiesner, U. Silica‐Type Mesostructures from  Block Copolymer Phases: Formation Mechanism and Gen‐ eralization to the Dense Nanoparticle Regime. Macromol‐ ecules 2004, 37, 5665‐5670.  (19)  Zheong,  Y.;  Won,  Y.  Y.;  Bates,  F.  S.;  Davis,  H.;  T.;  Scriven, L. E. Directly Resolven Core‐Corona Structure of  Block Copolymer Micelles by Cryo‐Transmission Electron  Microscopy. J. Phys. Chem. B 1999, 103, 10331‐10334.  (20) Zhao, D.; Yang, P.; Melosh, N.; Feng, J.; Chmelka, B.  F.; Stucky, G. D. Continuous Mesoporous Silica Films with  Highly  Ordered  Large  Pore  Structures.  Adv.  Mater.  1998,  10, 1380–1385.  (21) Kruk, M.; Liang, C. Pore Size Tailoring in Large‐Pore  SBA‐15 Silica Synthesized in the Presence of Hexane. Lang‐ muir 2007, 23, 7247‐7254. 

(8) Wan. Y.; Zhao. D. On the Controllable Soft‐Templat‐ ing  Approach  to  Mesoporous  Silicates.  Chem.  Rev.  2007,  107, 2821‐2860. 

(22)  Huang,  L.;  Kruk,  M.  Versatile  Surfactant/Swelling‐ Agent Template for Synthesis of Large‐Pore Ordered Mes‐ oporous Silicas and Related Hollow Nanoparticles. Chem.  Mater. 2015, 27, 679‐689. 

(9) Chen. Y.; Chen, H. G.; Shi. J. L. In Vivo Bio‐Safety Eval‐ uations  and  Diagnostic/Therapeutic  Applications  of  Chemically  Designed  Mesoporous  Silica  Nanoparticles.  Adv. Mater. 2013, 25, 3144–3176. 

(23) Dong, A. W.; Wang, Y. J.; Tang, Y.; Gao, Z. Mechani‐ cally Stable Zeolite Monoliths with Three‐Dimensional Or‐ dered  Macropores  by  the  Transformation  of  Mesoporous  Silica Spheres. Adv. Mater. 2002, 14, 1506–1510.  

(10) Du. X.; Li, X. Y.; Xiong, L.; Zhang, X. J.; Kleitz, F.; Qiao,  S.  Z.  Mesoporous  Silica  Nanoparticles  with  Organo‐ Bridged  Silsesquioxane  Framework  as  Innovative  Plat‐ forms for Bioimaging and Therapeutic Agent Delivery. Bi‐ omaterials 2016, 91, 90‐127. 

(24) Li, Y. S.; Shi, J. L.; Hua, Z. L.; Chen, H. R.; Ruan, M.  L.; Yan, D. S. Hollow Spheres of Mesoporous Aluminosili‐ cate with a Three‐Dimensional Pore Network and Extraor‐ dinarily High Hydrothermal Stability. Nano Lett. 2003, 3,  609–612.  

(11)  Orilall,  M.  C.;  Wiesner,  U.  Block  Copolymer  Based  Composition and Morphology Control in Nanostructured  Hybrid Materials for Energy Conversion and Storage: Solar  Cells,  Batteries,  and  Fuel  cells.  Chem.  Soc.  Rev.  2011,  40,  520‐535.  

(25) Kuang, D. B.; Brezesinski, T.; Smarsly, B. Hierarchical  Porous Silica Materials with a Trimodal Pore System Using  Surfactant Templates. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 10534– 10535. 

(12)  Zhai,  Y.  P.;  Dou.  Y.  Q.;  Zhao,  D.  Y.;  Fulvio,  P.  F.;  Mayes, R. T.; Dai, S. Carbon Materials for Chemical Capac‐ itive Energy Storage. Adv. Mater. 2011, 23, 4828‐4850.  (13)  Fan,  J.;  Yu,  C.  Z.;  Lei,  J.;  Zhang,  Q.;  Li,  T.C.;  Tu,  B.;  Zhou, W.Z.; Zhao, D.Y. Low‐Temperature Strategy to Syn‐ thesize  Highly  Ordered  Mesoporous  Silicas  with  Very  Large Pores. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 10794–10795.  (14)  Zhao,  D.  Y.;  Feng,  J.  L.;  Huo,  Q.  S.;  Melosh,  N.;  Fredrickson, G. H.; Chmelka, B. F.; Stucky, G. D. Triblock  Copolymer  Syntheses  of  Mesoporous  Silica  with  Periodic  50 to 300 Angstrom Pores. Science 1998, 279, 548–552.  (15) Deng, Y. H.; Wei, J.; Sun, Z. K.; Zhao, D. Y. Large‐pore  Ordered  Mesoporous  Materials  Template  from  Non‐Plu‐ ronic Amphiphilic Block Copolymers. Chem. Soc. Rev. 2013,  42, 4054‐4070.  (16)  Templin,  M.;  Franck,  A.;  DuChesne,  A.;  Leist,  H.;  Zhang, Y. M.; Ulrich, R.; Schadler, V.; Wiesner, U. Organi‐ cally Modified Aluminosilicate Mesostructures form Block  Copolymer Phases. Science 1997, 278, 1795‐1798. 

(26) Brandhuber, D.; Torma, V.; Raab, C.; Peterlik, H.; Ku‐ lak, A.; Husing, N. Glycol‐Modified Silanes in the Synthesis  of Mesoscopically Organized Silica Monoliths with Hierar‐ chical Porosity. Chem. Mater. 2005, 17, 4262–4271.   (27) Wang, X. Z.; Dou, T.; Xiao, Y. Z. Synthesis of Double‐ Mesopore  Silica  Using  Aqueous  Ammonia  as  Catalyst.  Chem. Commun. 1998, 9, 1035–1036.   (28)  Bagshaw,  S.  A.  Bimodal  Pore  Systems  in  Non‐Ion‐ ically  Templated  [Si]‐MSU‐X  Mesoporous  Silica  Through  Biomimetic  Synthesis  in  Weakly  Ionic  Solutions.  Chem.  Commun. 1999, 18, 1785–1786.   (29) Sun, J.; Shan, Z.; Maschmeyer, T.; Moulijn, J. A.; Cop‐ pens,  M.  O.  Synthesis  of  Tailored  Bimodal  Mesoporous  Materials with Independent Control of the Dual Pore Size  Distribution. Chem. Commun. 2001, 24, 2670–2671.   (30) El, H. J.; Ortiz, D. Z. D.; Guillem, C.; Latorre, J.; Cal‐ des, M.; Beltran, A.; Beltran, D.; Descalzo, A. B.; Rodriguez,  G.; Martinez‐Manez, R.; Marcos, M. D.; Amoros, P. Silica‐ Based Powders and Monoliths with Bimodal Pore Systems.  Chem. Commun. 2002, 4, 330–331.  

ACS Paragon Plus Environment

10

Page 11 of 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

(31) Yuan, Z. Y.; Blin, J. L.; Su, B. L Design Bimodal Meso‐ porous  Silicas  with  Interconnected  Pore  Systems  by  Am‐ monia Post‐Hydrothermal Treatment in the Mild‐Temper‐ ature Range. Chem. Commun. 2002, 5, 504–505.   (32) Sun, J. H.; Shan, Z. P.; Maschmeyer, T.; Coppens, M.  O. Synthesis of Bimodal Nanostructured Silicas with Inde‐ pendently  Controlled  Small  and  Large  Mesopore  Sizes.  Langmuir 2003, 19, 8395‐8402.  (33) Suzuki, K.; Ikari, K.; Imai, H. Synthesis of Silica Na‐ noparticles Having a Well‐Ordered Mesostructure Using a  Double  Surfactant  System.  J.  Am.  Chem.  Soc.  2004,  126,  462‐463. 

Resulting Structures of Mesoporous Silicas. RSC Adv. 2015,  5, 22625‐22637.  (41)  Kuang,  D.;  Brezesinski,  T.;  Smarsly,  B.  Hierarchical  Porous Silica Materials with a Trimodal Pore System Using  Surfactant Templates. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 10534‐ 10535.  (42) Toombes, G. E. S.; Mahajan, S.; Weyland, M.; Jain, A.;  Du,  P.;  Kamperman,  M.;  Gruner,  S.  M.;  Muller,  D.  A.;  Wiesner, U. Self‐Assembly of Four‐Layer Woodpile Struc‐ ture from Zigzag ABC copolymer/Aluminosilicate Concer‐ tinas. Macromolecules 2008, 41, 852‐859. 

(34)  Kuang,  D.;  Brezesinski,  T.;  Smarsly,  B.  Hierarchical  Porous Silica Materials with a Trimodal Pore System Using  Surfactant Templates. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 10534‐ 10535. 

(43) Cownan, C. D.; Padgett, E.; Tan, K. W.; Hovden, R.;  Gu, Y.; Andrejevic, N.; Muller, D.; Coates, G. W.; Wiesner,  U. Architectures from Orthogonal Degradation and Binary  Metal  Backfilling  in  ABC  Triblock  Terpolymers.  J.  Am.  Chem. Soc. 2015, 137, 6026‐6033. 

(35) Sel, O.; Kuang, D.; Thommes, M.; Smarsly, B. Princi‐ ples of Herarchical Meso‐ and Macropore Architectures by  Liquid Crystalline and Polymer Colloid Templating. Lang‐ muir 2006, 22, 2311–2322. 

(44) Li, J. G.; Lin, R. B.; Kuo, S. W.; Hierarchical Mesopo‐ rous Silica Fabricated from an ABC Triblock Terpolymer as  a  Single  Template.  Macromol.  Rapid  Commun.  2012,  33,  678−682.  

(36) Niu, D.; Ma, Z; Li, Y. S.; Shi, J. L. Synthesis of Core‐ Shell  Structured  Dual‐Mesoporous  Silica  Spheres  with  Tunable Pore Size and Controllable Shell Thickness. J. Am.  Chem. Soc. 2010, 132, 15144–15147. 

(45)  Jeong,  B.;  Lee,  D.  S.;  Bae,  Y.  H.;  Kim,  S.  W.  Biode‐ gradable  Block  Copolymers  as  Injectable  Drug‐Delivery  Systems. Nature 1997, 388, 860‐862. 

(37) Wei, J.; Yue, Q.; Sun, Z. K.; Deng, Y. H.; Zhao, D. Y.  Synthesis of Dual‐Mesoporous Silica Using Non‐Ionic Di‐ block  Copolymer  and  Cationic  Surfactant  as  Co‐Tem‐ plates. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 6149 –6153.  (38) Deng, Y.; Yu, T.; Wan, Y.; Shi, Y.; Meng, Y.; Gu, D.;  Zhang,  L.;  Huang,  Y.;  Liu,  C.;  Wu,  X.;  Zhao,  D.  Ordered  Mesoporous  Silicas  and  Carbons  with  Large  Accessible  Pores  Templated  from  Amphiphilic  Diblock  Copolymer  Poly(ethylene  oxide)‐b‐Polystyrene.  J.  Am.  Chem.  Soc.  2007, 129, 1690‐1697.  (39) Li, J. G.; Chang, Y. H.; Lin, Y. S.; Kuo, S. W. Templat‐ ing  Amphiphilic  Poly(ethylene  oxide‐b‐ε‐caprolactone)  Deblock Copolymers Provides Ordered Mesoporous Silicas  with Large Tunable Pores. RSC Adv. 2012, 2, 12973‐12982.   (40)  Altukhov,  O.;  Kuo,  S.  W.  Crystallization  Ability  of  Poly(latic  acid)  Block  Segments  in  Templating  Poly(eth‐ ylene oxide‐b‐lactic acid) Deblock Copolymers Affects the 

(46) Jeong, B.; Bae, Y. H.; Kim, S. W. In Situ Gelation of  PEG‐PLGA‐PEG  Triblock  Copolymer  Aqueous  Solutions  and Degradation Thereof. J. Biomed. Mater. Res. 2000, 50,  171‐177.  (47)  Jaroniec,  M.;  Solovyov,  L.  A.  Improvement  of  the  Kruk−Jaroniec−Sayari Method for Pore Size Analysis of Or‐ dered Silicas with Cylindrical Mesopores. Langmuir 2006,  22, 6757‐6760.  (48) Xiong, X. Y.; Tam, K. C.; Gan, L. H. Synthesis and Ag‐ gregation Behavior of Pluronic F127/Poly(lactic aicd) Block  Copolymers in Aqueous Solutions. Macromolecules 2003,  36, 9979‐9985.  (49) Byagari, K.; Shanavas, A.; Rengan, A. K.; Kundu, G.  C.;  Srivastava,  R.  Biocompatible  Amphiphilic  Pentablock  Copolymeric Nanoparticles for Anti‐Cancer Drug Delivery.  J. Biomed. Nanotechnol. 2014, 10, 109‐119.   

 

ACS Paragon Plus Environment

11

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 12 of 12

    

 

TOC Graphic 

ACS Paragon Plus Environment

12