Инкапсуляция и проницаемость характеристики плазменных Полимеризованные полых частиц

Summary

Мы использовали плазму расширения химического осаждения паров для нанесения тонких пленок в диапазоне от нескольких нанометров до нескольких 100 нм на наноразмерные частицы различных материалов. Впоследствии мы травления основного материала для производства полых нанооболочек которых проницаемость контролируется толщина корпуса. Мы характеризуем проницаемость этих покрытий малых растворы и продемонстрировать, что эти барьеры могут обеспечить устойчивый выпуск основной материал в течение нескольких дней.

Abstract

В этом протоколе, ядро-оболочка наноструктур синтезируются плазмы расширения химического осаждения паров. Мы производим аморфный барьер плазменной полимеризации изопропанола на различных твердых субстратах, в том числе кремния и хлористый калий. Это универсальный метод используется для лечения наночастиц и нанопорошков с размерами от 37 нм до 1 мкм, путем нанесения пленок, толщина которых может быть от 1 нм до свыше 100 нм. Растворение основные позволяет исследовать скорость проникновения через пленку. В этих экспериментах мы определяем коэффициент диффузии KCl через барьер фильм нанокристаллов покрытие KCL, а затем контроль ионной проводимости покрытые частицы, взвешенные в воде. Наибольший интерес в этом процессе инкапсуляции и замедленного высвобождения растворенных веществ. Толщина корпуса является одной из независимых переменных, с помощью которых мы можем контролировать скорость высвобождения. Это оказывает сильное влияние на скоростьвыпуска, который увеличивается с шести часов релиз (толщина корпуса составляет 20 нм) для долгосрочного выпуска более чем на 30 дней (толщина корпуса составляет 95 нм). Выпуск профиль показывает характерное поведение: быстрое освобождение (35% от конечной материалы) в течение первых пяти минут после начала растворения, и медленное высвобождение до всех основных материалов, выйти.

Protocol

1. Подготовка кремния наночастиц для осаждения

1. Начиная с сухой порошок диоксида кремния, подготовки образца для покрытия сначала устранения крупных агрегатов.
2. Вымойте частиц кремнезема (диаметр 200 нм, купленные в гель-Tec Corp) с этанолом (190 доказательств чистый) и оставить образец под вытяжным шкафом, пока все испарения влаги с этанолом.
3. Просеять частиц через ряд металлических сеток (США # 100-400), чтобы разрушить оставшиеся агломераций.
4. Место частиц и малой магнитной мешалкой бар в трубчатом реакторе, как показано на рисунке 1. Частицы должны быть размещены в зоне плазмы.
5. Закройте стеклянный реактор путем размещения уплотнительного кольца между двумя фланцами, один в конце стеклянной трубки и один в конце трубы подключены к насосу.
6. Установите кольцо из нержавеющей стали вокруг зажима фланцев и затяните винт вокруг зажима.

2.Подготовка вакуумной системы

1. Заполните отделителя жидкости азота, затем дайте поверхности ловушки, чтобы стать холодно. Подождите 5 минут.
2. Добавить изопропанола в барботер и подключиться к плазменного реактора.
3. Печать барботер, поставив резиновые уплотнительные кольца вокруг металлической трубы и затяните гайки до места трубе барботера связи становятся закрытыми.

3. Процесс плазменного напыления

1. Поместите барботер на водяной бане при температуре 34 ± 2 ° C.
2. Включите регулятор расхода газа аргона и введите 6,00 SCCM в качестве контрольной точки.
3. Постепенно открыть задвижку, которая соединяет стеклянная трубка к насосу, а насос работает. Выполните этот шаг, осторожно, потому что резкое снижение давления может привести к частицам сдувается потоком. Подождите, пока давление достигает 200 мторр, а затем оставить задвижка полностью открыта.
4. Поместите магнитной мешалкой в ​​стеклянную трубку и установить скорость 100 рвечера.
5. Подключите алюминиевое кольцо вокруг трубчатого реактора стекла радиочастот, РФ, генератор и подключить зажим из нержавеющей стали на землю.
6. Включить соответствующие сети (ENI MW-5D), а затем переключаться сети переменного тока и мощности ВЧ-генератора на. Установите мощность на 30 Вт в течение всего процесса.
7. После того, как конкретный период времени (10, 20 или 40 мин) отключить соответствующую сеть, ВЧ-генератора, а также переменного тока соответственно.
8. Закройте клапан, а затем выключите контроллер потока аргона. Отключите барботер от клапана и постепенно увеличивать давление в реакторе до атмосферного.
9. Откройте зажим и передачи частицы из трубки в пластиковых блюдо помощью металлического шпателя.

4. Подготовка полые частицы на растворение основного материала

1. Поместите образец под тягой в течение всего процесса добавления плавиковой кислоты.
2. Фтористоводородной кислоты является чрезвычайно сотрудничестваrrosive кислоты и воздействие глаз и кожи может привести к необратимому повреждению. Используйте защитные очки с лицом щит и носить лабораторный халат при работе с КВ.
3. Смешайте 10 мл плавиковой кислоты (Aldrich 49%) с 10 мл дистиллированной воды и добавьте к пластическому блюдо, которое содержит частицы, покрытые.
4. Поместите пластиковый блюдо на магнитной мешалкой и позволяют основные распустить в течение 24 часов.
5. После того, как в один прекрасный день разбавить образец 50 мл дистиллированной воды и центрифуги образца на 1 час. Откажитесь от слоя жидкости на вершине в пластиковый контейнер и передать нижний слой, который содержит частицы в пластиковых чашках Петри.
6. Добавьте 50 мл дистиллированной воды и вихрь образца и центрифуги его снова. Избавьтесь от верхнего слоя и передачи частицы слой чистой чашки Петри.
7. Вымойте частиц с этанолом, воздух сухой образец, и передать полых частиц во флакон с крышкой и держать частиц в эксикаторе.

5. Чараcterization проницаемости (скорость основной релиз)

Материалы: хлорид калия для основных материалов

1. Подготовить 0,001 молярного хлористого калия (KCl) раствора путем смешивания 0,0745 граммов KCl с 1 л дистиллированной воды.
2. Заполните стеклянную бутылку постоянной модели распылителя выход 3076 и установить крышка от бутылки.
3. Подключите шланг сжатого воздуха мембрана фен, который связан с газа на входе в форсунки. Затем прикрепить фильтр к розетке шланг для сбора KCl наночастиц.
4. Постепенно открыть клапан сжатого воздуха, а воздушный поток через мембрану сушилку. Позвольте частицы накапливаются в фильтре в течение 5 часов.
5. Закройте клапан сжатого воздуха и осторожно снимите фильтр и собирают частицы. Поместите частицы в эксикаторе до нанесения покрытия.
6. Следуйте протоколу 2 и 3, чтобы получить равномерно покрытый KCl частиц.
7. Смешайте покрытием KCl с 10 мл дистиллированной ватер в стеклянном флаконе. Для того чтобы полностью смешать образец, падение магнитной мешалки в раствор и оставить его на магнитной мешалкой. Инкубируйте образца при 25 ° C.
8. Вставьте кондуктометр зонд (Thermo Orion модель 105) во флакон и записать проводимость в течение 30 дней.

6. Представитель Результаты

Мы применили этот процесс различных материалов активной зоны, в том числе оксидов (кремнезема), соли (KCl) и металлов (Al), как показано на рисунке 2. Просвечивающий электронный микроскоп был использован для подтверждения радиальной однородности пленок и измерения их толщины. Мы успешно частиц, покрытых от 37 нм до 200 нм в диаметре (рис. 2), но нет никаких фундаментальных ограничений на размер частиц, которые можно лечить с помощью этого метода. Скорость осаждения оболочки составляет около 1 нм / мин. Это довольно медленный темп позволяет контролировать толщину пленок вполнеточно по времени осаждения. Плазменной полимеризации оболочки проницаемых барьеров, о чем свидетельствует тот факт, что основной материал можно удалить травлением или расторжения. На рисунке 3 показаны полые оболочки, которые остаются после того, как кремнезем ядро удалено. Удаление основного, является полной и радиальной однородности и толщины пленок достаточно высоки. Для целей оценки проницаемости через эти фильмы, мы перешли на KCl в качестве основного материала после распада KCl можно контролировать очень легко с помощью ионной проводимости раствора. На рисунке 4 показана выпуска KCl из основных фондов на четыре образца с различной толщиной 20 нм, 40 нм, 75 нм и 95 нм соответственно. Покрытые KCl частиц, взвешенных в воде и проводимости решение последовало в течение 30 дней. В дополнение к четырем образцов, управления, которая состоит из немелованной KCl частиц также контролируется. Без покрытия KCl частиц диссоциацииLVE в течение очень короткого времени примерно 1 мин. С другой стороны, покрытие KCl показывает значительно медленнее скорости высвобождения. Выпуск профиля покрытых частиц характеризуется начальный взрыв, который происходит в течение первого часа, а затем гораздо медленнее релизе, что занимает несколько дней, чтобы закончить, в зависимости от толщины пленки.

Рисунок 1. Схематическое изображение получения наночастиц, плазменного напыления, а также формирование полых частиц.

Рисунок 2. ПЭМ-изображения покрытием (а), (б) частиц кремнезема с D = 200 нм (в) диоксид кремния частицы с D = 37 нм, (г) алюминия с г ~ 100 нм, и (е) KCl частицы с D = 100 нм

Рисунок 3. TEM изображения полых частиц после травления (а), (б) кремния ядро ​​диаметром 200 нм, и (в) KCl ядра.

Рисунок 4. Влияние толщины оболочки на выпуск профилей. На вставке график показывает освобождение в течение первого часа.

Discussion

Одна из самых больших проблем в покрытие наночастиц является обеспечение совместимого химии между покрытием и подложкой ^1,2. Методологии, описанной здесь имеет то преимущество, что оно не материально-конкретным. Плазменные полимеры отличной адгезией на различных субстратах, в том числе тяжелых металлов (рис. 2 (с)), диоксид кремния (рис. 2 (с)), кремния или мягких материалов (например, полимеры), без необходимости в каких-либо специальных модификации поверхности ^{3 , 4,5.} Техника имеет дополнительное преимущество, что она не ограничивается размер ядра частицы и легко адаптируется к частиц в диапазоне нано-и микрометра. Толщина покрытия регулируется времени осаждения и может быть легко варьировался от нескольких до нескольких сотен нм. Другой уровень управления обеспечивается органическим предшественник, который используется для производства покрытий. Например, гидрофобный характер покрытия можно варьировать с помощью соответствующих Селеction предшественника ^6. Одним из аспектов этого процесса в необходимости дальнейшего совершенствования является достижение однородности покрытия. По нашим оценкам, около 70% частиц рассматривается в плазме в полной мере покрыты остальные 30% показывает частичное покрытие. Проектирование и разработка нового реактора, в котором плазма окружает все вокруг частиц в течение всего процесса может улучшить ситуацию.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Silica particles	Geltech Inc.
Potassium chloride (crystals)	EMD Chemicals Inc.
Isopropyl alcohol (99.9%)	Sigma-Aldrich
Hydrofluoric acid (48-51%)	VWR
Pipes and flanges	Swagelok		diameter of ¼ and 1 inch
roughing pump	Edwards
liquid nitrogen trap	A&N Corporation