Modvirkningsteknik til termoresponsive grafenoxid-nanoark

Grafenbaserede todimensionelle materialer er for nylig dukket op som et fokus for videnskabelig udforskning på grund af deres exceptionelle strukturelle, mekaniske, elektriske, optiske og termiske egenskaber. Blandt dem er nanoark baseret på grafenoxid (GO), et oxideret derivat af grafen, med ultratynde og ekstra brede dimensioner og iltrige overflader ret lovende.

Funktionelle grupper, der indeholder oxygen, såsom carboxy- og sure hydroxygrupper, genererer tætte negative ladninger, hvilket gør GO-nanoark kolloidt stabile i vand. Som et resultat er de værdifulde byggesten til næste generations funktionelle bløde materialer.

Især termoresponsive GO nanosheets har fået stor opmærksomhed for deres omfattende anvendelser, fra smarte membraner og overflader og genanvendelige systemer til hydrogelaktuatorer og biomedicinske platforme. Imidlertid indebærer de fremherskende syntetiske strategier til generering af termoresponsiv adfærd modifikation af GO nanoarkoverflader med termoresponsive polymerer såsom poly (N -isopropylacrylamid). Denne proces er kompleks og har potentielle begrænsninger i efterfølgende funktionaliseringsbestræbelser.

For at løse denne udfordring har forskere ledet af adjunkt Koki Sano og Mr. Shoma Kondo fra Institut for Kemi og Materialer ved Shinshu University i Japan for nylig præsenteret en innovativ tilgang kaldet "countercation engineering" for at give den ønskede termoresponsive evne til selv at GO nanosheets. . Deres arbejde blev udgivet i ACS Applied Materials &Interfaces .

Dr. Sano forklarer, "Denne undersøgelse introducerer en forenklet og effektiv vej til at opnå termorespons ved at udnytte modkationer (positivt ladede ioner), der er iboende til stede i GO nanoark. Kontrol over disse modkationer tilbyder et kraftfuldt værktøj til at udvikle stimuli-responsive nanomaterialer."

I deres undersøgelse etablerede forskerne en robust syntetisk protokol, der involverer en to-trins reaktion i vand for at syntetisere GO nanoark med specifikke modkationer. En udvekslingsreaktion erstattede først modkationerne af carboxy- og sure hydroxygrupperne med protoner. Dette blev efterfulgt af en syre-base-reaktion under anvendelse af en hydroxidanion med målmodanionerne, hvilket resulterede i de ønskede GO-nanoark.

Systematiske undersøgelser af deres termoresponsive adfærd afslørede, at GO nanoark, der rummer tetrabutylammonium (Bu₄ N ⁺ ) modkationer udviste en iboende termoresponsiv natur i vandige miljøer uden at kræve termoresponsive polymerer.

Derudover demonstrerede forskerne en reversibel sol-gel-overgang præget af selvmonterings- og demonteringsprocesser. Ved opvarmning vil den lamelformede Bu₄ N ⁺ -baserede GO nanoark med elektrostatisk frastødning (soltilstand) imellem dem samlet igen for at danne et indbyrdes forbundet netværk domineret af van der Waals tiltrækning (geltilstand) i stedet.

Denne bemærkelsesværdige overgang kan faktisk udnyttes til at udvikle en direkte skriveblæk til at konstruere tredimensionelt designbare gelarkitekturer af GO nanoarkene, påpegede forskerne.

Samlet set har undersøgelsens resultater dybe implikationer. "Den kontrollerede syntese af GO nanosheets med skræddersyede modkationer har afsløret en vej til alsidige og forenklede termoresponsive materialer. De termoresponsive GO nanosheets er lovende byggesten til biomedicinske, energi- og miljømæssige applikationer, såsom smarte membraner, blød robotteknologi og genanvendelige systemer, hydrogelaktuatorer og biomedicinske løsninger," siger Dr. Sano.

"Desuden tilbyder evnen til at skrive direkte med GO nanosheet-dispersioner en ny dimension til materialedesign, hvilket muliggør konstruktion af indviklede gelstrukturer med lethed," konkluderer han.

Flere oplysninger: Koki Sano et al., Countercation Engineering of Graphene-Oxide Nanosheets for at bibringe en termoresponsiv evne, ACS-anvendte materialer og grænseflader (2023). DOI:10.1021/acsami.3c07820

Journaloplysninger: ACS-anvendte materialer og grænseflader

Leveret af Shinshu University