Tetrapod nanokrystaller lyser vejen til stærkere polymerer

Fluorescerende tetrapod -nanokrystaller kunne belyse vejen til det fremtidige design af stærkere polymer -nanokompositter. Et team af forskere med det amerikanske energiministerium (DOE) s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har udviklet en avanceret opto-mekanisk sanseteknik baseret på tetrapod-kvantepunkter, der muliggør præcis måling af trækstyrken af ​​polymerfibre med minimal indvirkning på fiberens mekaniske egenskaber.

I en undersøgelse ledet af Paul Alivisatos, Berkeley Lab -direktør og Larry and Diane Bock -professor i nanoteknologi ved University of California (UC) Berkeley, forskergruppen inkorporerede i polymerfibre en population af tetrapod quantum dots (tQD'er) bestående af en cadmium-selenid (CdSe) kerne og fire cadmiumsulfid (CdS) arme. TQD'erne blev inkorporeret i polymerfibrene via elektrospinning, blandt nutidens førende teknikker til behandling af polymerer, hvor et stort elektrisk felt påføres dråber af polymeropløsning for at skabe mikro- og nanostørrelser. Dette er den første kendte anvendelse af elektrospinning til tQD'er.

"Electrospinning -processen tillod os at lægge en enorm mængde tQD'er, op til 20 vægtprocent, ind i fibrene med minimal indvirkning på polymerens bulkmekaniske egenskaber, "Alivisatos siger." TQD'erne er i stand til fluorescerende at overvåge ikke kun simpel enaksial stress, men stress afslapning og adfærd under cykliske varierende belastninger. Desuden, tQD'erne er elastiske og genvindelige, og undergår ingen permanent ændring i sansningsevne selv ved mange cyklusser med belastning til fiasko. "

Alivisatos er den tilsvarende forfatter til et papir, der beskriver denne forskning i tidsskriftet Nano bogstaver med titlen "Tetrapod -nanokrystaller som fluorescerende stressprober for elektrospunne nanokompositter." Medforfattere var Shilpa Raja, Andrew Olson, Kari Thorkelsson, Andrew Luong, Lillian Hsueh, Guoqing Chang, Bernd Gludovatz, Liwei Lin, Ting Xu og Robert Ritchie.

Polymer nanokompositter er polymerer, der indeholder fyldstoffer af nanopartikler dispergeret i polymermatrixen. Udviser en lang række forbedrede mekaniske egenskaber, disse materialer har et stort potentiale for en bred vifte af biomedicinske og materialeapplikationer. Imidlertid, rationelt design er blevet hæmmet af en mangel på detaljeret forståelse for, hvordan de reagerer på stress på mikro- og nanoskalaen.

"Forståelse af grænsefladen mellem polymeren og nanofyldstoffet og hvordan spændinger overføres over denne barriere er afgørende for reproducerbart syntetisering af kompositter, "Alivisatos siger." Alle de etablerede teknikker til at levere disse oplysninger har ulemper, herunder ændring af polymerens sammensætning og struktur på molekylært niveau og potentielt svækkelse af mekaniske egenskaber, såsom sejhed. Det har derfor været af stor interesse at udvikle optiske luminescerende spændingsfølende nanopartikler og finde en måde at integrere dem i polymerfibre med minimal indvirkning på de mekaniske egenskaber, der registreres. "

Berkeley Lab -forskerne mødte denne udfordring ved at kombinere halvleder -tQD'er af CdSe/CdS, som blev udviklet i et tidligere studie af Alivisatos og hans forskningsgruppe, med elektrospinning. CdSe/CdS tQD'erne er usædvanligt velegnede som nanoskala stresssensorer, fordi en påført spænding vil bøje tetrapodernes arme, forårsager et skift i farven på deres fluorescens. Det store elektriske felt, der anvendes ved elektrospinning, resulterer i en ensartet spredning af tQD -aggregater i hele polymermatrixen, derved minimere dannelsen af ​​spændingskoncentrationer, der ville virke til at forringe de mekaniske egenskaber af polymeren. Electrospinning gav også en meget stærkere binding mellem polymerfibrene og tQD'erne end en tidligere diffusionsbaseret teknik til brug af tQD'er som stressprober, der blev rapporteret for to år siden af ​​Alivisatos og hans gruppe. Meget højere koncentrationer af tQD'er kunne også opnås med elektrospinning frem for diffusion.

Når der blev påført polymer på nanokompositter, elastiske og plastiske deformationsområder blev let observeret som et skift i fluorescensen af ​​tQD'erne, selv ved lave partikelkoncentrationer. Da partikelkoncentrationerne blev øget, der blev observeret et større fluorescensskift pr. enhedsstamme. TQD'erne fungerede som ikke-forstyrrende prober, som test viste sig ikke at påvirke de mekaniske egenskaber af polymerfibrene negativt på nogen væsentlig måde.

"Vi udførte mekaniske tests ved hjælp af en traditionel trækprøvningsmaskine med alle vores typer polymerfibre, "siger Shilpa Raja, en hovedforfatter af Nano bogstaver papir sammen med Andrew Olson, begge medlemmer af Alivisatos 'forskningsgruppe. "Mens tQD'erne utvivlsomt ændrer fiberens sammensætning - det er ikke længere ren polymælkesyre, men i stedet et komposit - fandt vi ud af, at de mekaniske egenskaber ved komposit og krystallinitet af polymerfasen viser minimal ændring."

Forskergruppen mener, at deres tQD -sonder skal vise sig værdifulde for en række biologiske, billedbehandling og materialetekniske applikationer.

"En stor fordel ved udviklingen af ​​nye polymer-nanokompositter ville være at bruge tQD'er til at overvåge spændingsopbygninger før materialefejl for at se, hvordan materialet svigtede, før det faktisk brød fra hinanden, "siger medlederforfatter Olson." TQD'erne kunne også hjælpe med udviklingen af ​​nye smarte materialer ved at give indsigt i, hvorfor en komposit enten aldrig udviste en ønsket nanopartikelegenskab eller stoppede med at udstille den under deformation fra normal brug. "

Til biologiske anvendelser, tQD reagerer på kræfter på nanoNewton -skalaen, som er mængden af ​​kraft, der udøves af levende celler, når de bevæger sig rundt i kroppen. Et godt eksempel på dette er metastasering af kræftceller, der bevæger sig gennem den omgivende ekstracellulære matrix. Andre celler, der udøver kraft, omfatter fibroblaster, der hjælper med at reparere sår, og kardiomyocytter muskelcellerne i hjertet, der slår.

"Alle disse celletyper vides at udøve nanoNewton -kræfter, men det er meget svært at måle dem, "Raja siger." Vi har foretaget indledende undersøgelser, hvor vi har vist, at kardiomyocytter oven på et lag tQD'er kan blive foranlediget til at slå, og tQD -laget vil vise fluorescerende forskydninger på steder, hvor cellerne slår. Dette kan udvides til et mere biologisk relevant miljø for at studere kemikaliers og lægemidlers virkninger på kræftcellemetastaser. "

En anden spændende potentiel anvendelse er brugen af ​​tQD'er til at lave smarte polymer -nanokompositter, der kan fornemme, når de har revner eller er ved at gå i stykker og kan styrke sig selv som reaktion.

"Med vores teknik kombinerer vi to felter, der normalt er adskilte og aldrig er blevet kombineret på nanoskalaen, optisk sansning og polymer nanokomposit mekanisk afstemning, "Raja siger." Da tetrapoder er utroligt stærke, størrelsesordener stærkere end typiske polymerer, i sidste ende kan de skabe stærkere grænseflader, der selv kan rapportere forestående brud. "