Polymerstrukturer tjener som nanoreaktorer for nanokrystaller med ensartede størrelser, former

Ved at bruge stjerneformede blok co-polymer strukturer som små reaktionsbeholdere, forskere har udviklet en forbedret teknik til fremstilling af nanokrystaller med ensartede størrelser, kompositioner og arkitekturer – herunder metalliske, ferroelektriske, magnetiske, halvledere og selvlysende nanokrystaller. Teknikken er afhængig af længden af ​​polymermolekyler og forholdet mellem to opløsningsmidler for at kontrollere størrelsen og ensartetheden af ​​kolloide nanokrystaller.

Teknikken kunne lette brugen af ​​nanopartikler til optiske, elektriske, optoelektronisk, magnetiske, katalyse og andre applikationer, hvor stram kontrol over størrelse og struktur er afgørende for at opnå ønskelige egenskaber. Teknikken producerer almindelig, kerne-skal og hule nanopartikler, der kan gøres opløselige enten i vand eller i organiske opløsningsmidler.

"Vi har udviklet en generel strategi for fremstilling af et stort udvalg af nanopartikler i forskellige størrelsesområder, kompositioner og arkitekturer, " sagde Zhiqun Lin, en lektor ved School of Materials Science and Engineering ved Georgia Institute of Technology. "Denne meget robuste teknik giver os mulighed for at fremstille en bred vifte af nanopartikler, som ikke let kan produceres med andre metoder."

Teknikken blev beskrevet i juni-udgaven af ​​tidsskriftet Natur nanoteknologi . Forskningen blev støttet af Air Force Office of Scientific Research.

De stjerneformede blokcopolymerstrukturer består af en central beta-cyclodextrinkerne, hvortil flere "arme" – så mange som 21 lineære blokcopolymerer – er kovalent bundet. De stjerneformede blokcopolymerer danner de unimolekylære miceller, der tjener som reaktionsbeholder og skabelon for dannelsen af ​​nanokrystallerne.

De indre blokke af unimolekylære miceller er poly(akryl)syre (PAA), som er hydrofilt, som tillader metalioner at komme ind i dem. En gang inde i de små reaktionsbeholdere lavet af PAA, ionerne reagerer med PAA og danner nanokrystaller, som varierer i størrelse fra nogle få nanometer op til et par tiere nanometer. Størrelsen af ​​nanopartiklerne bestemmes af længden af ​​PAA-kæden.

Blokcopolymerstrukturerne kan fremstilles med hydrofile indre blokke og hydrofobe ydre blokke - amfifile blokcopolymerer, hvormed de resulterende nanopartikler kan opløses i organiske opløsningsmidler. Imidlertid, hvis både indre og ydre blokke er hydrofile – alle hydrofile blokcopolymerer – vil de resulterende nanopartikler være vandopløselige, gør dem velegnede til biomedicinske anvendelser.

Lin og samarbejdspartnere Xinchang Pang, Lei Zhao, Wei Han og Xukai Xin fandt ud af, at de kunne kontrollere ensartetheden af ​​nanopartiklerne ved at variere volumenforholdet mellem to opløsningsmidler - dimethlformamid og benzylalkohol - hvori nanopartiklerne er dannet. For ferroelektriske blytitanat (PbTiO3) nanopartikler, for eksempel, et 9-til-1 opløsningsmiddelforhold giver de mest ensartede nanopartikler.

Forskerne har også lavet jernoxid, Zinkoxid, titaniumoxid, kobberoxid, cadmium selenid, bariumtitanat, guld, platin og sølv nanokrystaller. Teknikken kan anvendes på næsten alle overgangs- eller hovedgruppemetalioner og organometalliske ioner, sagde Lin.

"Krystalliniteten af ​​de nanopartikler, vi er i stand til at skabe, er nøglen til mange applikationer, " tilføjede han. "Vi er nødt til at lave dem med gode krystallinske strukturer, så de vil udvise gode fysiske egenskaber."

Tidligere teknikker til fremstilling af polymere miceller med lineære blokcopolymerer har været begrænset af stabiliteten af ​​strukturerne og af konsistensen af ​​de nanokrystaller, de producerer, sagde Lin. Nuværende fremstillingsteknikker omfatter organisk opløsningsfasesyntese, termolyse af organometalliske prækursorer, sol-gel processer, hydrotermiske reaktioner og biomimetisk eller dendrimer skabelon. Disse eksisterende teknikker kræver ofte strenge betingelser, er svære at generalisere, omfatter en kompleks række af trin, og kan ikke modstå ændringer i omgivelserne omkring dem.

Derimod nanopartikelproduktionsteknik udviklet af Georgia Tech-forskerne er generel og robust. Nanopartiklerne forbliver stabile og homogene i lange perioder – så meget som to år indtil videre – uden nedbør. En sådan fleksibilitet og stabilitet kunne tillade en række praktiske anvendelser, sagde Lin.

"Vores stjernelignende blokcopolymerer kan overvinde de termodynamiske ustabiliteter af konventionelle lineære blokcopolymerer, " sagde han. "Kædelængden af ​​de indre PAA-blokke dikterer størrelsen af ​​nanopartiklerne, og ensartetheden af ​​nanopartiklerne er påvirket af de opløsningsmidler, der bruges i systemet."

Forskerne har brugt en række stjernelignende di-blok og tri-blok co-polymerer som nanoreaktorer. Blandt dem er poly(acrylsyre)-blok-polystyren (PAA-b-PS) og poly(acrylsyre)-blokpoly(ethylenoxid) (PAA-b-PEO) diblok-copolymerer, og poly(4-vinylpyridin)-blok-poly(tert-butylacrylat)-blok-polystyren (P4VP-b-PtBA-b-PS), poly(4-vinylpyridin)-blok-poly (tert-butylacrylat)-blok-poly(ethylenoxid) (P4VP-b-PtBA-b-PEO), polystyren-blok-poly(acrylsyre)-blok-polystyren (PS-b-PAA-b-PS) og polystyren-blok-poly(acrylsyre)-blok-poly(ethylenoxid) (PS-b-PAA-b) -PEO) tri-blok co-polymerer.

For fremtiden, Lin forestiller sig mere komplekse nanokrystaller med multifunktionelle skaller og yderligere former, herunder nanorods og såkaldte "Janus" nanopartikler, der er sammensat af bifasisk geometri af to forskellige materialer.