Nanoskala orme giver ny vej til nano-halskæde strukturer

Forskere har udviklet en ny teknik til at lave halskæder i nanometer-skala baseret på bittesmå stjernelignende strukturer, der er gevindskåret på en polymer rygrad. Teknikken kunne give en ny måde at producere hybrid organisk-uorganisk shish kebab strukturer fra halvledende, magnetisk, ferroelektriske og andre materialer, der kan give nyttige nanoskalaegenskaber.

Forskerne har indtil nu lavet nano-halskæder med op til 55 nanodisketter. Den skabelonbaserede proces vokser amfifile ormlignende diblock-copolymerer gennem en levende polymerisationsteknik, hvor de polymere strukturer fungerer som nanoreaktorer, der danner laterale nanokrystallinske strukturer baseret på en række forskellige forstadier. Nanodiskene har i gennemsnit cirka ti nanometer i diameter og fire nanometer i tykkelse, og er cirka to nanometer fra hinanden.

”Vores mål var at udvikle en utraditionel, alligevel robust, strategi til fremstilling af et stort udvalg af organisk-uorganiske hybrid shish kebab, "sagde Zhiqun Lin, en professor på School of Materials Science and Engineering ved Georgia Institute of Technology. "Dette er en generel teknik til at lave disse usædvanlige strukturer. Nu hvor vi har demonstreret det, vi mener, at der er en næsten uendelig liste over materialer, vi kan bruge til at lave disse nano-halskæder. "

Forskningen blev støttet af Air Force Office of Scientific Research og National Science Foundation. Resultaterne var planlagt til at blive offentliggjort den 27. marts i tidsskriftet Videnskab fremskridt .

De endimensionelle nano-halskæder kunne have optiske, elektronisk, optoelektronisk, sensing og magnetiske applikationer. Forskerne har hidtil produceret strukturer fra cadmiumselenid (CdSe), bariumtitanat (BaTiO3) og jernoxid (Fe3O4), men tror, ​​at mange andre materialer - herunder guld - også kunne bruges.

Teknikken begynder med dannelse af inklusionskomplekser fremstillet af alfa-cyclodextriner, cykliske oligosaccharider sammensat af seks glucoseenheder. Alfa-cyclodextriner, som er hule i midten, gevind sig på en polyethylenglycol (PEG) kæde i en etableret selvsamlingsproces. Polymerryggen, hvorpå alfa-cyclodextrinerne er gevindskåret, er dækket af et større stoppemiddel for at bevare de små strukturer.

Hver alfa-cyclodextrin har 18 hydroxyl (OH) grupper, der kan omdannes til brom (Br) grupper gennem en forestringsproces. Diblock -polymer "nanoworm" -strukturer dyrkes derefter fra disse bromgrupper i opløsning. Dannet af poly (acrylsyre) -blok polystyren (PAA-b-PS), ormlignende diblock-copolymerer består af indre poly (acrylsyre) (PAA) blokke, der er hydrofile, og ydre polystyren (PS) blokke, der er hydrofobe. Fordi der vokser så mange blokeringer på hver alfa-cyclodextrin, deres trængsel strækker polymerryggen.

Endelig, metalliske ionforstadier er fortrinsvis inkorporeret i rummet optaget af indre PAA-blokke af ormlignende diblock-copolymer-nanoreaktorer, dannelse af krystaller. Disse krystaller forbinder de engang separate strukturer, skaber nano -halskæderne - der ligner små tusindben.

"Vi var overraskede over at se disse nano-kebab vokse til en enkelt uorganisk struktur ved hjælp af de ormlignende diblock-copolymerer som nanoreaktorer, "sagde Lin." Under transmissionselektronmikroskopbilleddannelse, du ser nanodisklignende kebabstrukturer med jævne mellemrum placeret på den strakte polymer shish. "

Transmissionselektronmikroskopbilleder viser klart de nanodisklignende kebab, fordi de består af materialer med høje elektrontætheder. Imidlertid, den forbindende PEG -shish viser sig ikke, fordi den er en enkelt kæde, og dens elektrontæthed er meget mindre.

Dannelsen af ​​strukturerne var oprindeligt overraskende for Lins forskningsgruppe, som forventede at producere strukturer, der ligner nanoroder eller nanotråde. Men simuleringer udført af teammedlem Yuci Xu ved Ningbo University i Kina bekræftede dannelsen af ​​de strukturer, de observerede eksperimentelt. Simuleringerne tillod også forudsigelse af de strukturelle dimensioner, der ville blive produceret.

"Baseret på simuleringen, vi kunne forstå vækstmekanismen for denne nano-halskæde-lignende struktur, "sagde Lin." Dette nano-halskæde-arrangement fanges i høj grad af simuleringen. Simuleringen og eksperimenterne stemmer godt overens, hvilket øgede vores tillid til, at vi forstår strukturerne. "

Med deres vækstteknik demonstreret, forskerne vil nu karakterisere de små strukturer og etablere potentielle applikationer. Selvom disse endnu ikke er undersøgt, Lin tror på strukturerne, der er baseret på halvledende materialer, kunne, for eksempel, har elektroniske applikationer, med elektroner, der tunnellerer gennem tilstødende nanodisketter.

"Betydningen af ​​denne tilgang er, at der ikke er nogen begrænsning på, hvilke materialer du kan lave, og ingen begrænsning på størrelsen og formen af ​​de strukturer, du kan designe, "sagde han." Der er mange potentielt fordelagtige egenskaber, der kan udledes af denne nanoreaktor -tilgang. "

Der findes andre teknikker til at danne nano-halskæde strukturer, men ingen bruger en lignende skabelon og nanoreaktor tilgang, Sagde Lin.

I det fremtidige arbejde, Lins gruppe planlægger at undersøge egenskaberne af de strukturer, de har bygget, test andre potentielle materialer, og undersøge applikationer, der kan være passende. Mens egenskaberne for individuelle nanodiske er blevet undersøgt før, deres kollektive interaktioner kan give nogle potentielt unikke egenskaber.

"Dette papir repræsenterer en spændende demonstration af dannelse af hybrid organisk-uorganisk shish kebab i nanometer skala, "sagde Lin." Vi er ivrige efter at lære mere om de unikke egenskaber, de kan have, og udforske potentielle applikationer. "