Sintesi e funzionalizzazione di azoto drogati Coppe nanotubi di carbonio con nanoparticelle di oro come tappi di sughero

L'obiettivo generale del seguente esperimento è sintetizzare singole nano coppe grafite idrofile isolate da nanotubi di carbonio dopati con azoto e funzionalizzarle con nanoparticelle d'oro come tappi di sughero. Questo risultato si ottiene innanzitutto mediante deposizione chimica da vapore per sintetizzare nanotubi di carbonio dopati con azoto costituiti da nano coppe impilate. Come secondo passaggio, le nano coppe impilate vengono trattate con ossidazione acida forte e occasionalmente con punte a ultrasuoni, isolando efficacemente le singole nano coppe dai rispettivi impacchettamenti.

In seguito, le nanoparticelle d'oro vengono sintetizzate mediante riduzione con citrato di sodio dell'acido cloroaurico in presenza di nanotazze isolate, al fine di otturare le nanotazze alle loro aperture. I risultati ottenuti mostrano che le nanoparticelle d'oro otturano efficacemente l'apertura delle nanotazze, come dimostrato dalla caratterizzazione mediante microscopia elettronica a trasmissione e spettroscopia UV-vis. Abbiamo avuto per la prima volta l'idea di separare e otturare le tazze di nanotubi di carbonio quando abbiamo analizzato le immagini al microscopio elettronico a trasmissione di nanotubi di carbonio drogati con azoto, notando che sono costituiti da segmenti individuali a forma di tazza. Questo metodo può contribuire a rispondere a domande fondamentali nel campo della nanoscienza e della nanotecnologia, come le proprietà delle nanostrutture con controllo di forma e funzionalità.

Le implicazioni di questa tecnica riguardano la fabbricazione di contenitori su scala nanometrica e di vettori per il rilascio di farmaci, poiché le nano-coppette presentano una forma unica e funzionalità più versatili rispetto ad altri nanomateriali. Per iniziare la sintesi, posizionare una lastra di quarzo di un pollice per 12 pollici all'interno di un tubo di quarzo lungo tre piedi e con un diametro interno di un pollice. Successivamente, sigillare il tubo di quarzo utilizzando tappi in acciaio dotati di connessioni integrate per l'iniezione di gas e liquidi.

Posizionare il tubo in quarzo all'interno di un tubo Lindberg blu. Preparare quindi una soluzione di precursore liquido contenente ferne, acetonitrile e xileni. Aspirare circa cinque millilitri di precursore liquido in una siringa ermetica.

Posizionare la siringa su una pompa per siringhe e collegarla all'ingresso del tubo di quarzo. A questo punto, assemblare il sistema CVD collegando tutti gli ingressi e le uscite dei gas. Far fluire 845 centimetri cubi standard al minuto di Argonne attraverso il sistema per 20 minuti per purgarlo ed effettuare un controllo delle perdite al termine della purga.

Avviare un flusso di idrogeno molecolare a 37,5 centimetri cubi standard al minuto e regolare l'argon a un flusso di 127 centimetri cubi standard al minuto. Accendere il fornetto e impostarne la temperatura a 800 gradi Celsius una volta che ha raggiunto la stabilità a tale temperatura. Impostare la velocità di iniezione della pompa per siringa a nove millilitri all'ora per sei minuti.

Dopo sei minuti, impostare la velocità di iniezione a un millilitro all'ora per la crescita di nanostrutture a base di carbonio drogate con azoto. Dopo 90 minuti di crescita, spegnere la pompa della siringa e il flusso di gas idrogeno e arrestare il forno. Mantenere il flusso di argonico per conservare un'atmosfera interna fino a quando il forno non si raffredda a temperatura ambiente.

Quando il sistema è a temperatura ambiente, scollegare tutte le entrate e uscite del gas e il sistema di iniezione sotto una cappa aspirante o con protezione respiratoria. Smontare il sistema di CVD ed estrarre la piastra di quarzo. Utilizzare una lametta monouso per staccare con cura il film di coppe di nanotubi di carbonio drogati con azoto dalla piastra.

Trasferire il film utilizzando pinzette e una pistola antistatica per la dispersione in etanolo per il processo di ossidazione. Innanzitutto, adottare precauzioni per maneggiare in sicurezza fluidi altamente corrosivi. Trasferire circa 10 milligrammi di NC NCS appena sintetizzati in un pallone da 200 millilitri.

Aggiungere 7,5 millilitri di acido nitrico concentrato al matraccio. Sonicare brevemente il miscuglio in un bagno ad ultrasuoni per una migliore dispersione. Successivamente, aggiungere lentamente 22,5 millilitri di acido solforico concentrato con il miscuglio di reazione in un bagno ad ultrasuoni a temperatura ambiente, sonicare per quattro ore.

Quindi diluire la miscela di reazione con 100 millilitri di acqua e porre la miscela in un bagno di ghiaccio. Dopo che la miscela si è raffreddata fino alla temperatura ambiente, utilizzare un aspiratore ad acqua per filtrare la miscela attraverso una membrana di POLYTETRAFLUOROETILENE o PTFE con una dimensione dei pori di 220 nanometri. Lavare il materiale sulla membrana filtrante con 200 millilitri di idrossido di sodio 0,01 molare per rimuovere eventuali sottoprodotti acidi residui.

Quindi lavare il materiale con 200 millilitri di soluzione di acido cloridrico 0,01 M. Successivamente, lavare il materiale con acqua fino a quando il filtrato presenta un pH neutro. Infine, mettere i NC NCS ossidati in 50 millilitri di acqua.

Sonicare la miscela per disperdere il materiale. Di solito circa cinque minuti, il sospensione risultante può essere conservata a temperatura ambiente per gli esperimenti. Per separare i NC ncs, trasferire la sospensione del materiale ossidato in acqua in un bicchiere di plastica da 100 millilitri posto in un bagno di ghiaccio.

Riempire il bicchiere di plastica con acqua fino al segno di 50 millilitri. Equipaggiare la punta del sonicator con una micro punta di titanio di un quarto di pollice di diametro e impostarla al 60% della magnitudine massima. Immergere la micro punta al centro della soluzione e procedere per 12 ore con un intervallo di accensione e spegnimento di 1/32.

Cambiare il ghiaccio ogni 30 minuti per evitare il surriscaldamento. Dopo 12 ore, interrompere la sonificazione. Filtrare la sospensione di NC NC attraverso una membrana filtrante in PTFE con dimensione dei pori di 220 nanometri per rimuovere eventuali particelle di grandi dimensioni. Ancora una volta, i campioni di NC NC risultanti possono essere conservati a temperatura ambiente per ulteriori applicazioni.

L'analisi inizia con la preparazione di due reagenti, A e B. Il reagente A contiene fenolo, purina etanolo e idrant danina in acqua. Il reagente B è l'irano disciolto in etanolo.

Riempire provette piccole con 600 microlitri di etanolo. Aggiungere 400 microlitri di soluzione NC NNC, oppure 400 microlitri di acqua come controlli, in ciascuna provetta. Aggiungere 100 microlitri del reagente A e 25 microlitri del reagente B nelle provette.

Sigillare i tubi a sonda con i parametri e riscaldarli in un bagno d'olio a 100 gradi Celsius per 10 minuti. Filtrare il campione attraverso un filtro per siringa per rimuovere le particelle solide e raccogliere la soluzione filtrata per l'analisi. Registrare gli spettri nel visibile dei filtrati con e senza NC NCS ed eseguire la colorimetria.

Registrare l'assorbanza del picco centrato a 570 nanometri per utilizzarlo con la legge di Beer-Lambert al fine di calcolare il carico di ammine per introdurre particelle d'oro nei NC ncs. Iniziare con quattro millilitri di sospensione acquosa contenente NC ncs separati con una concentrazione di 0,01 milligrammi per millilitro.

Sonicare la sospensione in un bagno a ultrasuoni per cinque minuti. Durante l'ultimo minuto della sonicazione, aggiungere un millilitro di una soluzione acquosa di acido clororico a un milligrammo per millilitro.

Una volta terminato, posizionare la soluzione su una piastra magnetica a 70 gradi Celsius. Aggiungere 250 di soluzione acquosa al 1% in peso di citrato di sodio goccia a goccia, mescolando energeticamente. Mescolare la miscela di reazione sulla piastra per due ore.

Successivamente, centrifugare il miscuglio di reazione a 3.400 giri/min per 15 minuti. Quindi rimuovere il soprannatante per ottenere il precipitato contenente i nanotubi di carbonio funzionalizzati con nanoparticelle d'oro, disperdere il precipitato in quattro millilitri di acqua e centrifugare nuovamente. L'analisi mediante microscopia elettronica a trasmissione mostra la struttura fibrillare dei nanotubi di carbonio drogati con azoto, con una lunghezza tipica di alcuni micron e diametri compresi tra 20 e 30 nanometri.

Le immagini ad alta risoluzione mostrano le nanostrutture a forma di coppa che si impilano l'una sull'altra. Qui, le immagini di microscopia elettronica a trasmissione mostrano le NC NCS dopo l'ossidazione acida. Il processo di ossidazione ha tagliato le fibre in sezioni lunghe un micron, ma poiché le coppa IC rimangono impilate anche dopo sonicazione, trattamento con sonda e filtrazione, le NC NCS appaiono come singole coppe di lunghezza inferiore a 200 nanometri.

Il processo di ossidazione provoca un cambiamento del potenziale zeta dei NC NCS da positivo a negativo. Come mostrato a sinistra, il grafico a destra mostra che, secondo il test di Kaiser, i gruppi amminici intrinseci dei NC NCS non sono stati alterati, come si osserva a sinistra. Quando i NC NCS sono stati funzionalizzati con nanoparticelle d'oro, quasi tutti i NC NCS ne hanno acquisita una.

Molti dei nanoparticelle d'oro hanno formato dei tappi alle cavità come mostrato a destra. L'immagine ingrandita mostra la differenza di colore dopo la centrifugazione tra le nanoparticelle d'oro libere nel soprannatante a sinistra e le nanoparticelle d'oro sul NNC NCS a destra. Il colore più tendente al porpora corrisponde a uno spostamento verso il rosso della banda di risonanza plasmonica superficiale dell'oro nello spettro visibile, osservato nei dati.

Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in un giorno, se effettuata correttamente. Non dimenticare che lavorare con nanomateriali a base di carbonio può essere pericoloso e che è necessario adottare precauzioni, come l'uso di dispositivi di protezione respiratoria, durante l'esecuzione di questa procedura dopo il suo sviluppo. Questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo della nanoscienza e in particolare della nanomedicina, permettendo di esplorare applicazioni di questi nano-veicoli funzionali per terapie mirate e il rilascio controllato di farmaci.