Metalliske molekyler til nanorør:Spred ud!

(PhysOrg.com) - Et laboratorium ved Rice University er trådt frem med en effektiv metode til at sprede nanorør på en måde, der bevarer deres unikke egenskaber - og tilføjer flere.

Den nye teknik gør det muligt for uorganiske metalkomplekser med forskellige funktionaliteter at forblive i tæt kontakt med enkeltvæggede carbon-nanorør, mens de holdes adskilt i en opløsning.

Denne adskillelse er afgørende for producenter, der ønsker at spinde fiber fra nanorør, eller bland dem i kompositmaterialer for at styrke eller for at drage fordel af deres elektriske egenskaber. Til at begynde med, evnen til at funktionalisere nanorørene på samme tid kan fremme billeddannelsessensorer, katalyse og solaktiverede brintbrændselsceller.

Endnu bedre, et parti nanorør kan tilsyneladende forblive spredt i vand i flere uger.

At forhindre carbon nanorør i at klumpe sig i vandige opløsninger og kombinere dem med molekyler, der tilføjer nye evner, har været fluer i salven for forskere, der har undersøgt brugen af ​​disse meget alsidige materialer.

De har forsøgt at vedhæfte organiske molekyler til nanorørens overflader for at tilføje funktionalitet såvel som opløselighed. Men selvom disse teknikker kan adskille nanorør fra hinanden, de tager en vejafgift på nanorørens elektroniske, termiske og mekaniske egenskaber.

Angel Marti, en risassistent professor i kemi og bioingeniør og en Norman Hackerman-Welch Young Investigator, og hans studerende rapporterede denne måned i Royal Society of Chemistry journal Kemisk kommunikation at ruthenium polypyridyl -komplekser er yderst effektive til at dispergere nanorør i vand effektivt og i lange perioder. Ruthenium er et sjældent metallisk element.

En nøgle er at have det helt rigtige molekyle til jobbet. Marti og hans team skabte rutheniumkomplekser ved at kombinere elementet med ligander, stabile molekyler, der binder til metalioner. Det resulterende molekylære kompleks er del hydrofobt (liganderne) og del hydrofilt (ruthenium). Liganderne binder stærkt til nanorør, mens de vedhæftede rutheniummolekyler interagerer med vand for at opretholde rørene i opløsning og holde dem adskilt fra hinanden.

En anden nøgle viste sig at være mådehold.

Oprindeligt, Marti sagde, han og medforfattere Disha Jain og Avishek Saha var ikke ude på at løse et problem, der har forvirret kemikere i årtier, men deres vilje til at "gøre noget vanvittigt" betalte sig stort. Jain er tidligere postdoktor i Martis laboratorium, og Saha er kandidatstuderende.

Forskerne så på rutheniumkomplekser som en del af en undersøgelse for at spore amyloidaflejringer forbundet med Alzheimers sygdom. "Vi begyndte at spekulere på, hvad der ville ske, hvis vi modificerede metalkomplekset, så det kunne binde til et nanorør, "Sagde Marti." Det ville give opløselighed, individualisering, spredning og funktionalitet. "

Det gjorde, men ikke i starten. "Avishek satte dette sammen med rensede enkeltvæggede carbon-nanorør (oprettet via Rices HiPco-proces) og sonikerede. Der skete absolut ingenting. Nanorørene kom ikke i løsning-de klumpede bare sammen i bunden.

"Det var meget underligt, men sådan fungerer videnskaben - nogle ting, du synes er gode ideer, fungerer aldrig. "

Saha fjernede væsken og efterlod de klumpede nanorør i bunden af ​​centrifugerøret. "Så jeg sagde, 'Godt, hvorfor gør du ikke noget skørt. Bare tilføj vand til det, og med den lille smule ruthenium, der måtte blive der, prøv at gøre reaktionen. ' Det gjorde han, og løsningen blev sort. "

En lav koncentration af ruthenium gjorde tricket. "Vi fandt ud af, at 0,05 procent af rutheniumkomplekset er den optimale koncentration til at opløse nanorør, "Marti sagde. Yderligere forsøg viste, at simple rutheniumkomplekser alene ikke virkede. Molekylet kræver sin hydrofobe ligandhale, som søger at minimere dets eksponering for vand ved at binde med nanorør. "Det er det samme, nanorør ønsker at gøre, så det er et gunstigt forhold, " han sagde.

Marti fandt også nanorørens naturlige fluorescens upåvirket af rutheniumkomplekserne. "Selvom de er blevet renset, som kan indføre fejl, de udviser stadig meget god fluorescens, " han sagde.

Han sagde, at visse rutheniumkomplekser har evnen til at forblive i en ophidset tilstand i lang tid - omkring 600 nanosekunder, eller 100 gange længere end normale organiske molekyler. "Det betyder, at sandsynligheden for, at det vil overføre en elektron, er høj. Det er praktisk til energioverførselsapplikationer, som er vigtige for billeddannelse, " han sagde.

At nanorør forbliver suspenderet i lang tid, bør fange øjnene for producenter, der bruger dem i løs vægt. "De skulle forblive adskilt i uger uden problemer, "Marti sagde." Vi har løsninger, der har siddet i flere måneder uden tegn på at gå ned. "