Avancée compositionnelle Analyse des Composites Nanoparticules-polymère en utilisant Direct Imaging Fluorescence

L'objectif général de cette technique d'analyse est de comprendre l'incorporation de nanoparticules dans des matrices polymères. L'imagerie directe des particules permet d'estimer les concentrations locales et les taux d'assimilation globaux. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés en chimie des matériaux, notamment en nanochimie, en conception de matériaux conceptuels et en catalyse.

Le principal avantage de cette technique est que l'incorporation de matériaux nanoparticulaires est visualisée directement, de sorte que les informations obtenues ne peuvent être acquises par aucune autre méthode simple. Le déroulement de la procédure sera présenté par le Dr Sacha Noimark, le Dr Joe Bear et le Dr William Peveler. Post-doctorant du laboratoire du professeur Parkin à l'UCL.

Commencez cette procédure par la préparation des cœurs de séléniure de cadmium, comme décrit dans le protocole écrit. Dans un ballon de 100 millilitres à fond brun, ajoutez du diéthyldithiocarbamate de zinc, de l’octadécène, de l’oléylamine, du trioctylphosphine et les cœurs dans l’hexane. Ajoutez une barre d’agitation et remplacez l’atmosphère réactionnelle par de l’azote.

Chauffer la réaction sur un agitateur chauffant à 3,3 degrés Celsius par minute sous vide partiel jusqu'à 70 degrés Celsius, tout en éliminant l'hexane à l'aide de la ligne Schlenk. Passer l'atmosphère à l'azote et continuer à chauffer à ce taux jusqu'à 120 degrés Celsius. Agiter à 120 degrés Celsius pendant deux heures.

Laisser refroidir la réaction, puis répartir le mélange entre deux tubes de centrifugation de 15 millilitres. Injecter du chloroforme dans l'échantillon avant de verser la solution dans les tubes. S'assurer que les tubes sont complétés jusqu'à 50 millilitres avec de l'éthanol pour précipiter les particules, puis centrifuger à 3600 ×g pendant 10 minutes.

Jetez le surnageant et redisperser les culots dans un volume total de 10 millilitres d'hexane n. Centrifuger la solution une fois de plus pour éliminer les impuretés insolubles, puis décantez-la dans un tube d'échantillon. Conserver à quatre degrés Celsius sous une atmosphère d'azote pendant jusqu'à trois mois.

Pour la préparation de la solution de gonflement, préparez une solution mère de points quantiques de séléniure de cadmium en mélangeant 36 millilitres de n-hexane avec quatre millilitres de la dispersion de points quantiques de séléniure de cadmium synthétisée. Agitez la solution magnétiquement. Mettez de côté deux vials, chacun contenant neuf millilitres de la solution mère, désignés comme solutions de gonflement.

Utilisez le reste de la solution mère pour la préparation de solutions de gonflement supplémentaires à des concentrations variables de points quantiques. Préparez trois solutions de gonflement aux concentrations décroissantes de points quantiques en diluant la solution mère afin d'obtenir une solution à 66 %, une solution à 50 % et une solution à 33 %, comme indiqué dans le protocole écrit. Conservez toutes les solutions de points quantiques à l'abri de la lumière et à température ambiante.

Ensuite, découpez quatre carrés en silicone médical à l’aide d’une lame de scalpel neuve. Immergez un carré de silicone médical dans chacune des quatre solutions de gonflement de concentrations variables en point quantique : solution mère, 66 %, 50 % et 33 %. Après 24 heures de gonflement des échantillons de polymère à température ambiante et à l’abri de la lumière, retirez les échantillons gonflés de leurs solutions respectives. Séchez-les à l’air libre à l’abri de la lumière pendant 48 heures, période durant laquelle le solvant résiduel s’évapore et les polymères reprennent leurs dimensions initiales.

Ensuite, lavez soigneusement les échantillons intégrant les points quantiques avec de l'eau déionisée afin d'éliminer tous les matériaux liés à la surface. Préparez ensuite quatre autres carrés de silicone médical. Immergez-les dans la solution de gonflement mère pendant des durées variables : une heure, trois heures, six heures et 24 heures.

Après le retrait de la solution de gonflement, sécher à l'air les échantillons de polymère gonflés dans l'obscurité pendant 48 heures, de sorte que l'échantillon rétrécisse jusqu'à ses dimensions initiales. Laver soigneusement avec de l'eau déionisée les échantillons incorporant des points quantiques afin d'éliminer tout matériau adsorbé en surface ou tout solvant résiduel. Découper deux carrés de silicone gonflés-rétrécis à l'aide d'une lame de scalpel neuve.

Veillez à ce que cela expose la surface interne des échantillons de silicone. Placez les échantillons de silicone sur une lame de microscope pour l'imagerie. Assurez-vous que la face fraîchement coupée du polymère soit en contact complet avec la lame de verre.

Appuyez doucement sur la partie en silicone pour assurer un contact uniforme avec la lame de microscope avant d'effectuer les mesures de durée de vie de la fluorescence, comme décrit dans le protocole. Ensuite, placez l'échantillon sur la platine du microscope. Pour effectuer les mesures de durée de vie de la fluorescence, couplez directement la sortie du laser à un système de filtre accordable acousto-optique afin de générer la ligne laser de 488 nanomètres.

Concentrez le faisceau laser à l’aide d’une unité de balayage laser sur mesure, qui est réfléchie par un miroir dichroïque vers l’ouverture arrière d’un objectif 10X, puis sur l’échantillon. Reportez-vous au protocole écrit pour les instructions concernant la réalisation des mesures et le traitement des données. Les points quantiques refroidis sont caractérisés par spectroscopie de photoluminescence afin de mesurer les spectres d’émission, d’excitation et le rendement quantique global.

Les points quantiques encapsulés par gonflement sont très photoluminescents, donc la luminosité indique un encapsulation par gonflement réussie. Des coupes transversales du polymère peuvent être montées au microscope à fluorescence pour mesurer le degré d'encapsulation par gonflement. Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en environ 15 minutes avec des échantillons encapsulés par gonflement, si elle est effectuée correctement.

Lors de la réalisation de la procédure, il est important de se rappeler que la lame utilisée pour découper les échantillons de polymère est non contaminée et relativement aiguisée, car des irrégularités à ce stade pourraient introduire des artefacts dans les images de fluorescence. Après cette procédure, d'autres méthodes telles que la spectroscopie de dispersion d'énergie des rayons X, ainsi que des tests fonctionnels, peuvent être effectuées afin d'évaluer davantage la quantité d'encapsulation ou la concentration en surface. Après son développement, cette technique a permis aux chercheurs du domaine des sciences des matériaux d'explorer la conception de composites nanoparticulaires en utilisant diverses matrices hôtes.

N'oubliez pas que le travail avec le séléniure de cadmium peut être extrêmement dangereux, et des précautions, telles que le port d'équipements de protection individuelle adaptés et le travail sous une hotte aspirante, doivent toujours être prises lors de l'exécution de cette procédure.