我们报道了将多种类型的聚合物包覆金属纳米颗粒“聚合”成长链“均聚物”和“共聚物”的实验方案。
方法文章
我们报道了将多种类型的聚合物包覆金属纳米颗粒“聚合”成长链“均聚物”和“共聚物”的实验方案。
我们提出一种无需模板的方法,可将纳米颗粒“聚合”成长链结构,且无侧支生成。多种纳米颗粒被封装在聚苯乙烯-嵌段-聚丙烯酸(PSPAA)壳层中,并作为单体用于其自组装过程。已知球形PSPAA胶束在酸处理后会组装成柱状胶束。利用这一特性,诱导核-壳结构的纳米颗粒发生聚集、融合,最终转化为长链结构。当使用多种不同类型的纳米颗粒时,可获得随机或嵌段型的纳米颗粒“共聚物”。本文详细报道了纳米颗粒的PSPAA封装、核-壳纳米颗粒的均聚与共聚、所生成纳米颗粒链的分离与纯化等具体步骤。同时展示了单列链向双列和三列链的结构转变。聚合物壳层与嵌入其中的纳米颗粒之间的协同作用,导致了一种非典型的链增长聚合模式,从而形成与传统逐步增长聚集过程产物显著不同的长链纳米颗粒结构。
尽管在过去二十年中纳米粒子的合成取得了巨大进展,但其有序组装仍然是一个重大挑战。将基本结构单元进行有效组装的合成能力,对于探索和利用纳米粒子的协同效应及集体性质至关重要。因此,开发新的反应路径并探究其内在机制,是实现复杂纳米器件理性合成的关键步骤。
在可能的纳米粒子组装结构中,一维(1D)链状结构在纳米电子学、光电子学和生物传感器方面已展现出有用的应用前景1-4。通常,纳米粒子自组装形成链状结构需要依赖磁性或电偶极相互作用、各向异性的静电排斥作用,或外部模板5-11。对于由偶极诱导的组装,需要具有永久偶极的纳米粒子,例如磁性纳米粒子,或在特殊环境下的半导体纳米粒子12-15。对于没有永久偶极的纳米粒子,已有研究表明,纳米粒子链末端相对较弱的静电排斥作用可促进纳米粒子在这些位置的选择性附着,从而实现一维链的生长16,17。由于纳米粒子之间以及纳米粒子与寡聚物之间可能发生聚集,这种聚集通常遵循固有的逐步生长模式,导致链长较短且难以控制分支结构。最后,纳米粒子也可通过吸附到一维模板上形成链状结构,但通常很难实现牢固锚定,并避免纳米粒子之间出现间隙。
由于这些现有方法的存在,纳米颗粒的异质组装或“共聚合”尤其困难。少数开创性研究利用磁偶极18或静电排斥作用,实现了短纳米颗粒链的“共聚合”19。
最近,我们报道了PSPAA包覆的纳米颗粒的均聚和共聚,形成链状结构。20,21 这种新的合成途径涉及简便的胶体合成方法,并可通用性地使用多种不同类型的纳米颗粒。该方法能够获得无支化的超长链结构,并可方便地调控其长度和宽度(单列、双列和三列链)。最重要的是,可合成具有更优结构控制的纳米颗粒无规共聚物和嵌段共聚物。在本研究中,我们提供了相关合成过程的视频方案,旨在进行详细演示和展示。
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注意:请查阅所有相关的材料安全数据表(MSDS)。本合成过程中使用的某些化学品具有腐蚀性、毒性,可能具有致癌性。与相应的块体材料相比,纳米材料可能存在尚未认知的危险。进行反应时,请采用适当的安全操作规范,包括在通风橱中操作并佩戴个人防护装备(护目镜、手套、实验服、长裤、防滑鞋)。 等等。).
1. 金属纳米颗粒的合成
注意:合成过程中使用的所有玻璃器皿均需用 王水 (注意:具有强酸性和腐蚀性,需谨慎操作,并按规定妥善处理), 彻底冲洗,然后在60 °C烘箱中干燥。金属杂质或残留物可能导致过早成核,从而导致纳米颗粒合成失败。
2. PSPAA 包覆金属纳米颗粒(单体)的合成
注意:以下步骤中使用精确的用量以获得最终 DMF/水溶剂混合物的精确比例。由于离心后残留体积以及上清液提取后的体积每次均有差异,因此在加入 DMF/水配制最终溶液时,需先用移液器粗略测量残留体积,再对应该体积进行补偿。溶剂比例的微小偏差通常不会造成问题。
3. PSPAA 封装金属纳米颗粒的均聚反应
4. PSPAA 包埋金属纳米颗粒的共聚合
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采用透射电子显微镜(TEM)对纳米粒子单体及链状结构进行表征。图1展示了PSPAA包覆单体的代表性TEM图像,证实了其形貌和尺寸(图1)。由于“聚合”后样品中通常仍残留部分单体,因此在进行TEM表征前,通常需对样品进行纯化和浓缩处理。在制备TEM样品时引入了染色剂,即将样品溶液与1%钼酸铵混合,以增强聚合物壳层在TEM图像中的对比度。图2和图3分别展示了“均聚物”和“共聚物”的代表性TEM图像。

图1. 单体的透射电子显微镜(TEM)图像。(A
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合成反应的机理细节已在先前的文献中报道并讨论。20,21 本文重点阐述合成条件的设计依据。在纳米粒子的聚合过程中,优选使用尺寸均一的纳米粒子。我们采用文献中的方法制备均一的 Au 纳米粒子23、Au 纳米棒24 和 Te 纳米线25。通常情况下,当成核阶段与生长阶段分离时,可获得更好的尺寸均一性。26 在经历初始的均相成核爆发后,所有晶核在相同时间内以相同的速率生长,从而得到尺寸相近的纳米粒子。因此,纳米粒子的尺寸取决于生长物质的总量以及初始成核阶段形成的晶核总数。
PSPAA对纳米颗粒的包封作用此前已有报道和讨论27-29。PSPAA自组装的驱动力来源于PS与PAA区域之间的相分离30,31。在极性溶剂中,PSPAA形成胶束,其中PS链段位于中心,而PAA链段溶解于溶剂中并向外伸展。当存在经疏水配体功能化的纳米颗粒时,PS链段可通过范德华力和疏水相互作用吸附在纳米颗粒表面,从而形成具有表面PAA链段的胶束壳层(图...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢新加坡国家研究基金会(NRF)(CRP-4-2008-06)、新加坡科技研究局(A*Star)(SERC 112-120-2011)以及新加坡教育部(MOE)(RG14/13)提供的经费支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 三水合氯化金(III),ACS级试剂,≥49.0% Au 基础 | Sigma-Aldrich | G4022 | HAuCl4 |
| 二水合柠檬酸钠,99% | Alfa Aesar | A12274 | |
| 硼氢化钠,≥99% | Sigma-Aldrich | 71321, Fluka | |
| 十六烷基三甲基溴化铵,≥98% | Sigma-Aldrich | H5882 | CTAB |
| 硝酸银,99.9999% 痕量金属级 | Sigma-Aldrich | 204390 | |
| L-抗坏血酸,BioXtra,≥99.0%,结晶态 | Sigma-Aldrich | A5960 | |
| 二氧化碲,≥99% | Sigma-Aldrich | 243450 | |
| 水合肼,64-65%,试剂级,98% | Sigma-Aldrich | 207942 | |
| 聚(苯乙烯-b-丙烯酸)(PS154-PAA49) | Polymer Source | P4673A-SAA | PS16000-PAA3500 |
| 聚(苯乙烯-b-丙烯酸)(PS144-PAA28) | Polymer Source | P4002-SAA | PS15000-PAA1600 |
| 2-萘硫醇,≥99.0%(GC) | Sigma-Aldrich | 88910, Fluka | |
| 十二烷基硫酸钠,99% | Alfa Aesar | A11183 | |
| 单壁碳纳米管,99% 超纯 | NanoIntegris | PC10344a | |
| 氢氧化钠 | 国药集团 | S1900136 | |
| 1,2-二棕榈酰-sn-甘油-3-硫代乙醇(钠盐) | Avanti Polar Lipids | 870160P | PSH |
| N,N-二甲基甲酰胺 | Merck | SA4s640012 | |
| 乙醇,绝对 | Fischer | E/0650DF/17 | |
| 盐酸,37% | Honeywell | 10189005 | 使用前稀释至 1 M |
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