Funktionalisierung von einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit Thermo-reversible Blockcopolymere und Charakterisierung durch Kleinwinkelneutronenstreuung

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist die Herstellung und Charakterisierung von Nanopartikeln auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren, die eine thermisch ansprechende Verkapselungsschicht in wässrigen Lösungen enthalten. Diese Methode kann dazu beitragen, Schlüsselfragen im Bereich der Nanostrukturtechnik zu beantworten, z. B. wie man stimuliresponsive Nanopartikel herstellt und In-situ-Veränderungen in ihrer nanoskaligen Struktur untersucht, die durch externe Reize induziert werden. Diese Methode kann Einblicke in die chemische Herstellung von intelligenten Nano-Bausteinen geben.

Es kann auch auf andere Systeme angewendet werden, die aus verschiedenen Arten von kohlensäurehaltigen Nanopartikeln und Blockcopolymeren bestehen. Um diesen Vorgang zu beginnen, fügen Sie 0,175 Gramm Poloxamer 407 Pulver in 70 Gramm Deuteriumoxid hinzu. Lösen Sie dann das Polymer mit einem Magnetrührer 30 Minuten bis eine Stunde lang vollständig in Lösung auf.

Geben Sie separat 0,01 Gramm einwandiges Kohlenstoffnanoröhrenpulver in konische 250-Milliliter-Zentrifugenröhrchen. Geben Sie dann 31,6 Milliliter der Poloxamer 407-Lösung in jedes Röhrchen. Mischen Sie anschließend die Suspension in jedem Röhrchen durch Wirbelmischen für 5 bis 10 Minuten.

Wenn Sie fertig sind, legen Sie das erste Rohr in ein Wasserbad und sichern Sie es mit einem Klemmständer. Tauchen Sie die Spitze eines Ultraschallgeräts in die Aufhängung des ersten Rohrs. Erhöhen Sie die Beschallungsleistung allmählich von 0 %, bis die am Boden der Röhre abgelagerten Kohlenstoffnanoröhren aufgrund des von der Ultraschallspitze ausgebreiteten Ultraschalls zu zerbrechen und sich auszubreiten beginnen.

Behandeln Sie die Suspension 60 Minuten lang bei 20 Grad Celsius mit Ultraschall, während Sie die Temperatur der Suspension unter 25 Grad Celsius halten, indem Sie ein Wasserbad als Temperaturspeicher verwenden. Als nächstes zentrifugieren Sie die Rohsuspensionen in beiden Röhrchen bei 9800 mal G für zwei Stunden bei 20 Grad Celsius. Nach der Zentrifugation werden 15 Milliliter jedes Überstands separat von der Oberseite der Lösung in ein neues Röhrchen überführt.

0,015 g 5-Methylsalicylsäure oder 5-MS werden im Überstand des zweiten Röhrchens gelöst und dieses Gemisch als Probe zwei gekennzeichnet. Das Röhrchen, das den Überstand aus dem ersten Röhrchen enthält, als Probe eins kennzeichnen. Laden Sie 0,3 Milliliter jeder Probe in eine amorphe Cord-Span-Jo-Zelle.

Setzen Sie die Deckel auf die beiden Zellen und verschließen Sie sie, indem Sie Klebeband sicher um die Deckel wickeln. Platzieren Sie anschließend eine der versiegelten Zellen zwischen den Abstandshaltern des Aluminium-Zellenhalters und montieren Sie den Aluminium-Banjo-Zellenhalter. Laden Sie die assemblierten Zellen in verschiedene Probenpositionen des EQ-SAN Probenpaddels.

Erstellen Sie eine Liste der Beispielpositionen des Paddels auf dem Probenlistenformular. Starten Sie die Messung, indem Sie das Experimentskript im PI-DAS-Steuerungsfenster laden und ausführen. Für AFM-Messungen mischen Sie 0,1 Milliliter der Lösung aus der Probe in einem Röhrchen mit 1,9 Millilitern entionisiertem Wasser.

Platzieren Sie als Nächstes einen sauberen Siliziumwafer auf einem Spin-Coder. Fixieren Sie die Waferposition mit einer Vakuumprüfung. Stellen Sie die Drehzahl und die Laufzeit auf 1500 Umdrehungen pro Minute bzw. 60 Sekunden ein.

Befeuchten Sie die freiliegende Oberfläche des Wafers mit der verdünnten Probe. Beginnen Sie dann mit dem Spin-Coding. Wenn Sie fertig sind, schalten Sie die Vakuumpumpe aus und entfernen Sie den codierten Wafer aus dem Spin-Coder.

Befestigen Sie an dieser Stelle den spincodierten Wafer mit einem doppelseitigen Kohlenstoffklebeband auf einer Eisenscheibe. Bewegen Sie die Festplatte näher an den Rand des freigelegten Bereichs eines Scanners. Schieben Sie dann die Disk in die Mitte, bis die Unterseite die Oberseite des Scanners vollständig bedeckt.

Montieren Sie anschließend das Rastersondenmikroskop oder den SPM-Kopf auf dem Scanner und stecken Sie das Kabel ein. Öffnen Sie die Software zur Steuerung der Geräteversorgung auf dem Computer und wählen Sie den Klopfmodus im Systemkonfigurationsfenster aus. Platzieren Sie anschließend die Cantilever-Spitze in der Mitte des Monitorfensters, indem Sie die groben und feinen Knöpfe des optischen Mikroskops verstellen und die optischen Tische X und Y bewegen.

Richten Sie den Laser aus, indem Sie die Laserausrichtungsknöpfe am SPM-Kopf einstellen. Platzieren Sie den roten Laserpunkt grob auf dem Cantilever, und verschieben Sie den Punkt in die Mitte der Cantilever-Spitze, indem Sie die auf dem Monitor angezeigten Punkte nachzeichnen. Richten Sie den Detektor nach der Laserausrichtung mit den Knöpfen des Fotodetektors aus.

Stellen Sie die Knöpfe grob ein, um vier rote LED-Leuchten am SPM-Kopf auszuschalten. Stellen Sie dann die Knöpfe fein ein, bis sich das rosa Reflexionsbild in der Mitte des Laserausrichtungsfensters befindet und die Signalsumme der Quadranten-Fotodiode größer als mindestens zwei Volt ist. Optimieren Sie den Cantilever-Ton mit der automatischen Abstimmung im Cantilever-Tuning-Fenster.

Führen Sie dann die automatische Abstimmung in einem Frequenzbereich von null bis 1000 Kilohertz aus. Bringen Sie anschließend die Waferoberfläche in den Fokus des Mikroskops, indem Sie die Fokusknöpfe einstellen. Sobald die Waferoberfläche scharf ist, klicken Sie auf die Schaltfläche "Aktivieren" in der Symbolleiste.

Wählen Sie im Popup-Fenster eine Scangröße, eine Stichprobennummer und eine Scanrate aus. Starten Sie den Scanvorgang. Passen Sie die Werte für die proportionale Verstärkung, die integrale Verstärkung und die vertikale Ablenkung schrittweise an, wenn der Kontrast zwischen den Partikeln und dem Substrathintergrund zu gering ist, um die Partikelformen und -grenzen im gescannten Bild klar zu erkennen.

Lösen Sie die Sonde nach der Messung abschließend. Durch Änderung der Temperatur oder durch Zugabe von 5-MS-Additiven zeigen die SANS-Streuintensitäten der funktionalisierten einwandigen Kohlenstoffnanoröhren-Suspension eine Verschiebung zu einer höheren Q im intermediären Q-Bereich und die Entwicklung eines Peaks bei hoher Q. Die Änderungen aufgrund der Temperaturkontrolle und der 5-MS-Addition stammen aus der strukturellen Veränderung der Poloxamer 407-Verkapselungsschicht auf den Kohlenstoffnanoröhren. Der Poloxamer-Kohlenstoffnanoröhren-Nanostab mit der Kernschalenzylinderstruktur erfährt eine strukturelle Umwandlung von der Verkapselung durch kugelförmige Mizellen von Poloxamer 407 bei Raumtemperatur zur Verkapselung durch eine kompakte zylindrische Schicht aus Poloxamer 407 bei höherer Temperatur.

Während der Strukturänderung wird die kugelförmige Poloxamer-407-Mizelle mit einem Gyrationsradius von 45 Ångström zu einem Satz von einkettigen Klecksen, die den Kern der Kohlenstoffnanoröhre mit dem Gyrationsradius von 30 Ångström kompakter umgeben. Obwohl die AFM-Aufnahmen nur eine getrocknete Morphologie der Poloxamer-Kohlenstoffnanoröhren-Nanostäbchen ohne Wasser zeigen, liefern sie Hinweise auf die Entflechtung und Dispersion der Kohlenstoffnanoröhren sowie auf die Längenverteilung der Nanostäbchen. Dieses Verfahren kann auf verschiedene Kombinationen von Nanopartikeln in Blockcopolymeren angewendet werden, um verschiedene stimuliresponsive Nanobausteine herzustellen.

Im Anschluss an dieses Verfahren können weitere Methoden wie Kryo-EM oder molekulardynamische Simulation durchgeführt werden, um Fragen wie die reale Raumstruktur von Polymerschichten im Lösungszustand und die detaillierte zugrunde liegende Physik im Zusammenhang mit der Strukturänderung zu beantworten. Ich hoffe, dass dieses Video gezeigt hat, dass die Neutronenstreuung mit einem kleinen Winkel eine sehr nützliche Technik für die in situ Charakterisierung von Nanostrukturen von Lösungsproben ist. Wir hoffen auch, dass mehr Wissenschaftler für verschiedene Neutronenstreuexperimente an die SNS kommen.