Ensartede behårede nanoroder har potentiel energi, biomedicinske anvendelser

Materialeforskere har udviklet en ny strategi til fremstilling af endimensionelle nanoroder fra en lang række forstadier. Baseret på en cellulose -rygrad, systemet er afhængig af væksten af ​​blokcopolymer "arme", der hjælper med at skabe et rum til at tjene som en kemisk reaktor i nanometer-skala. De ydre blokke af armene forhindrer sammenlægning af nanoroderne.

De producerede strukturer ligner små flaskebørster med polymer "hår" på nanorodoverfladen. Nanoroderne varierer i størrelse fra et par hundrede nanometer til et par mikrometer i længden, og et par snesevis af nanometer i diameter. Denne nye teknik muliggør stram kontrol over diameteren, nanorods længde og overfladeegenskaber, hvis optiske, elektrisk, magnetiske og katalytiske egenskaber afhænger af de anvendte precursormaterialer og nanorodernes dimensioner.

Nanoroderne kan have applikationer inden for områder som elektronik, sanseindretninger, energiomdannelse og lagring, levering af medicin, og kræftbehandling. Ved hjælp af deres teknik, forskerne har hidtil fremstillet ensartet metallisk, ferroelektrisk, opkonvertering, halvledende og termoelektriske nanokrystaller, samt kombinationer deraf. Forskningen, understøttet af Air Force Office of Scientific Research, blev rapporteret i tidsskriftet 16. september Videnskab .

"Vi har udviklet en meget generel og robust strategi til at udforme et stort udvalg af nanoroder med præcist kontrollerede dimensioner, kompositioner, arkitekturer og overfladekemikalier, "sagde Zhiqun Lin, en professor på School of Materials Science and Engineering ved Georgia Institute of Technology. "For at skabe disse strukturer, vi brugte ikke-lineære flaskebørste-lignende blokcopolymerer som bittesmå reaktorer til at forme væksten af ​​en spændende række uorganiske nanoroder. "

Nanorod -strukturer er ikke nye, men den teknik, der bruges i Lins laboratorium, producerer nanoroder af ensartede størrelser - såsom bariumtitanat og jernoxid, som endnu ikke er blevet demonstreret via vådkemiske tilgange i litteraturen-og meget ensartede kerneskal-nanoroder fremstillet ved at kombinere to forskellige materialer. Lin og tidligere postdoktorforsker Xinchang Pang siger, at forstadiematerialerne, der er anvendelige til teknikken, er praktisk talt ubegrænsede.

"Der er mange forstadier til forskellige materialer til rådighed, der kan bruges med dette robuste system, "Sagde Lin." Ved at vælge en anden ydre blok i de flaskebørste-lignende blokcopolymerer, vores nanoroder kan opløses og dispergeres ensartet i organiske opløsningsmidler såsom toluen eller chloroform, eller i vand. "

Fremstilling af nanoroderne begynder med funktionaliseringen af ​​individuelle længder af cellulose, en billig langkædet biopolymer høstet fra træer. Hver celluloseenhed har tre hydroxylgrupper, som er kemisk modificeret med et bromatom. Den bromerede cellulose fungerer derefter som makroinitiator for væksten af ​​blokcopolymerarme med velkontrollerede længder ved hjælp af atomoverføringsradikalpolymerisationsprocessen (ATRP), med, for eksempel, poly (acrylsyre) -blok-polystyren (PAA-b-PS), hvilket giver cellulose tæt podet med PAA-b-PS (dvs. cellulose-g- [PAA-b-PS]), der giver flaskebørsten et udseende.

Det næste trin involverer den foretrukne opdeling af forstadier i det indre PAA -rum, der fungerer som en nanoreaktor til at starte nukleation og vækst af nanoroder. De tæt podede blokcopolymerarme, sammen med den stive cellulose -rygrad, give forskere evnen til ikke kun at forhindre sammenlægning af de resulterende nanoroder, men også for at forhindre dem i at bøje sig.

"Polymererne er som lange spaghetti, og de vil spole op, "Forklarede Lin." Men de kan ikke gøre dette i de komplekse makromolekyler, vi laver, fordi der er dannet så mange blokcopolymerarme, der er ikke plads. Dette fører til strækning af armene, danner en meget stiv struktur. "

Ved at variere kemien og antallet af blokke i armene på de flaskebørstelignende blokcopolymerer, Lin og kolleger producerede en række olieopløselige og vandopløselige almindelige nanoroder, core-shell nanoroder, og hule nanoroder - nanorør - af forskellige dimensioner og sammensætninger.

For eksempel, ved at bruge flaskebørste-lignende triblock-copolymerer, der indeholder tæt podede amfifile triblock-copolymerarme, kerneskallen-nanoroderne kan dannes af to forskellige materialer. I de fleste tilfælde, et stort gitterfejl mellem kerne- og skalmaterialer ville forhindre dannelse af kerneskalstrukturer af høj kvalitet, men teknikken overvinder denne begrænsning.

"Ved at bruge denne tilgang, vi kan dyrke kerne- og skalmaterialerne uafhængigt i deres respektive nanoreaktorer, "Lin sagde." Dette giver os mulighed for at omgå kravet om matchning af krystalgitterne og tillader fremstilling af en lang række kerneskalstrukturer med forskellige kombinationer, som ellers ville være meget udfordrende at opnå. "

Lin ser mange potentielle applikationer til nanoroderne.

"Med en bred vifte af fysiske egenskaber - optisk, elektrisk, optoelektronisk, katalytisk, magnetisk, og sansning - der er følsomme afhængige af deres størrelse og form samt deres samlinger, de producerede nanoroder er af både grundlæggende og praktisk interesse, "Sagde Lin." Potentielle applikationer omfatter optik, elektronik, fotonik, magnetiske teknologier, sensoriske materialer og anordninger, lette konstruktionsmaterialer, katalyse, levering af medicin, og bio-nanoteknologi. "

For eksempel, almindelige guld nanoroder i forskellige længder kan muliggøre effektiv plasmonisk absorption i det nær-infrarøde område til brug ved konvertering af solenergi med forbedret høst af solspektrum. Opkonverteringsnanoroderne kan fortrinsvis høste IR -solfotoner, efterfulgt af absorption af udsendte højenergifotoner for at generere ekstra fotostrøm i solceller. De kan også bruges til biologisk mærkning på grund af deres lave toksicitet, kemisk stabilitet, og intens luminescens, når den ophidses af nær-IR-stråling, som kan trænge ind i væv meget bedre end stråling med højere energi, såsom ultraviolet, som det ofte kræves med kvantemærkater.

Nanoroderne af guld-jernoxidkerne kan være nyttige i kræftbehandling, med MR -billeddannelse aktiveret af jernoxidskallen, og lokal opvarmning skabt af den fototermiske effekt på guldnanorodkernen, der dræber kræftceller.