אנקפסולציה וחדירות מאפיינים של חלקיקים פלזמה polymerized הולו

Summary

השתמשנו פלזמה משופרת שיקוע כימי להפקיד שכבות דקות החל ננומטר ל -100 ננומטר כמה כמה על חלקיקים בגודל ננו של חומרים שונים. אנחנו לחרוט לאחר מכן את חומר הליבה לייצר nanoshells חלולים אשר חדירות נשלטת על ידי עובי הקליפה. אנחנו מאפיינים את החדירות של ציפויים אלו כדי מומסים קטנים להוכיח כי מחסומים אלה יכולים לספק שחרור מתמשך של חומר הליבה על פני כמה ימים.

Abstract

בפרוטוקול זה, הליבה פגז ננו מסונתזים על ידי בתצהיר פלזמה משופרת אדים כימיים. אנו מייצרים מחסום אמורפי ידי פלזמה פילמור של isopropanol על מצעים מוצקים שונים, כולל סיליקה אשלגן כלורי. טכניקה זו תכליתי משמש לטיפול חלקיקים nanopowders עם בגדלים הנעים בין 37 ננומטר ל 1 מיקרון, על ידי הפקדת סרטים אשר עובי יכול להיות בכל מקום בין 1 ננומטר ל כלפי מעלה של 100 ננומטר. פירוק הגרעין מאפשר לנו ללמוד את קצב חלחול דרך הסרט. בניסויים אלה, אנו קובעים את מקדם הדיפוזיה של KCl באמצעות הסרט את מחסום ידי nanocrystals KCl ציפוי ולאחר מכן לעקוב אחר מוליכות יונית של חלקיקים מרחפים מצופים במים. האינטרס העיקרי בתהליך זה הוא אנקפסולציה ושחרור מושהה של מומסים. עובי הקליפה הוא אחד המשתנים הבלתי תלויים שבאמצעותו אנו לשלוט על קצב שחרור. יש לה השפעה חזקה על קצבהשחרור, דבר אשר מגביר מעכשיו שש שעות (עובי הקליפה הוא 20 ננומטר) לשחרור ארוך טווח של 30 יום (עובי הקליפה הוא 95 ננומטר). פרופיל שחרור מראה התנהגות אופיינית: שחרור מהיר (35% מהחומרים האחרונים) במהלך חמש הדקות הראשונות לאחר תחילת פירוק, ושחרור איטי עד שכל החומרים הליבה לצאת.

Protocol

1. הכנת סיליקה חלקיקים עבור הפקדת

1. החל אבקת סיליקה יבש, להכין את המדגם על ידי ציפוי 1 ביטול אגרגטים גדולים.
2. לשטוף את חלקיקי סיליקה (בקוטר של 200 ננומטר, לרכוש ג'ל טק קורפ) עם אתנול (190 הוכחה טהורה) ולהשאיר את המדגם מתחת למכסה המנוע קטר עד שכל מתאדה הלחות עם אתנול.
3. מנפים חלקיקים באמצעות סדרה של meshes מתכתיים (ארה"ב # 100-400) כדי לשבור את כל agglomerations הנותרים.
4. מקום חלקיקים, בר קטן stirrer מגנטי בכור צינורי, כפי שמוצג באיור 1. חלקיקי צריך להיות ממוקם בתוך אזור פלזמה.
5. לאטום את הכור זכוכית על ידי הנחת O-Ring בין 2 מסגרות, אחד בכל קצה של צינור זכוכית 1 בסוף הצינור מחובר למשאבה.
6. התקנת נירוסטה מהדק הטבעת סביב מסגרת ויד להדק את הבורג סביב מהדק.

2.הכנת מערכת אבק

1. מלא את מלכודת חנקן נוזלי, ואז לאפשר את פני השטח של המלכודת להיות קר. לחכות 5 דקות.
2. הוסף isopropanol ב bubbler ולהתחבר הכור פלזמה.
3. לאטום bubbler ידי הצבת גומי O-Ring מסביב לצינור מתכת להדק את האום עד מקום של אפיק חיבור bubbler הופך אטום.

3. פלזמה תהליך הפקדת

1. מניחים את bubbler באמבט מים בטמפרטורה של 34 ± 2 ° C.
2. הפעל את בקר זרימת גז ארגון והזן 6.00 SCCM כנקודת סט.
3. לאט לאט לפתוח את השסתום השער המחבר את שפופרת זכוכית כדי המשאבה תוך המשאבה פועלת. לבצע שלב זה בזהירות, כי ירידה פתאומית של לחץ עלול לגרום חלקיקים להיות מחוסל על ידי הזרם. חכו עד שהלחץ מגיע ל 200 mTorr, ולאחר מכן לעזוב את שסתום השער פתוח.
4. מניחים את stirrer מגנטי תחת צינור זכוכית ולהגדיר את המהירות R 100PM.
5. חבר את טבעת האלומיניום סביב הכור כוס צינורי לתדר רדיו, RF, הגנרטור ולחבר את מהדק נירוסטה אל הקרקע.
6. הפעלת רשת תואמות (א £ MW-5D) 1 ולאחר מכן לעבור את קו ה-AC ואת כוח מחולל RF ב. הגדר את הכוח ב 30 W עבור התהליך.
7. לאחר משך זמן מסוים (10, 20 או 40 דקות) לכבות את רשת תואם, מחולל RF, ואת החשמל בהתאמה.
8. סגור את שסתום הסימון ולאחר מכן לכבות את בקר זרימת ארגון. נתק את bubbler מ שסתום ובהדרגה להגביר את הלחץ על הכור אטמוספרי.
9. פתח את תפס ולהעביר את חלקיקי מהצינור לתוך צלחת פלסטיק בעזרת מרית מתכת.

4. הכנה של חלקיקים חלולים על ידי פירוק של חומר הליבה

1. מניחים את הדוגמה מתחת למכסה המנוע קטר על כל התהליך של הוספת חומצה הידרופלואורית.
2. חומצה הידרופלואורית הינה שיתוף מאודחומצה חשיפה rrosive של העין העור הוא עלול לגרום נזק בלתי הפיך. השתמש משקפי מגן פנים וללבוש מעיל במעבדה בעת טיפול HF.
3. ערבבו 10 מ"ל של חומצה הידרופלואורית (אולדריץ 49%) עם 10 מ"ל מים deionized ולהוסיף צלחת פלסטיק המכיל את החלקיקים המצופים.
4. מניחים את צלחת הפלסטיק על stirrer מגנטי ולאפשר הליבה לפזר על 24 שעות.
5. לאחר יום אחד לדלל את המדגם עם מים deionized 50 מ"ל ו צנטריפוגות מדגם עבור שעה 1. מחק את שכבת הנוזל בחלק העליון במיכל פלסטיק ולהעביר את השכבה התחתונה המכילה חלקיקים בצלחת פטרי פלסטיק.
6. הוסף 50 מ"ל מים deionized ואת המערבולת מדגם סרכזת את זה שוב. השלך את השכבה העליונה ולהעביר את שכבת החלקיקים בצלחת פטרי נקי.
7. לשטוף את החלקיקים עם אתנול, אוויר יבש המדגם, ולהעביר חלקיקים חלולים לתוך בקבוקון עם מכסה ולשמור את חלקיקי ב תא ייבוש.

5. Characterization של חדירות (שיעור שחרור Core)

חומרים: אשלגן כלורי חומרים הליבה

1. הכן 0.001 אשלגן טוחנת כלוריד (KCl) פתרון של 0.0745 גרם KCl ערבוב עם מים 1 ליטר deionized.
2. מלאו בקבוק זכוכית של מודל מרסס קבוע פלט 3076 ולהתקין את מכסה הבקבוק.
3. חבר את צינור אוויר דחוס כדי מייבש קרום, אשר מחובר כניסת הגז של מרסס. ואז לצרף מסנן צינור מוצא כדי לאסוף חלקיקים KCl.
4. לאט לאט לפתוח את שסתום האוויר הדחוס ולתת את זרימת האוויר דרך מייבש הממברנה. אפשר החלקיקים מצטברים סינון עבור שעה 5.
5. סגור את שסתום האוויר הדחוס ובזהירות להסיר את המסנן ולאסוף את חלקיקי. מניחים את החלקיקים תא ייבוש לפני תהליך הציפוי.
6. עקוב פרוטוקול 2 ו 3 על מנת לקבל חלקיקים KCl מצופה באופן אחיד.
7. מערבבים KCl מצופה עם 10 מ"ל deionized WAter בבקבוקון זכוכית. כדי לערבב היטב את המדגם, ירידה stirrer מגנטי לתוך פתרון ולהשאיר אותו על stirrer מגנטי. דגירה מדגם של 25 ° C.
8. הכניסו את מד מוליכות בדיקה (Thermo דגם אוריון 105) לתוך בקבוקון ולהקליט את המוליכות על 30 יום.

6. נציג תוצאות

יש לנו ליישם את התהליך הזה למגוון של חומרי הליבה, כולל תחמוצות (סיליקה), מלחים (KCl) ומתכות (אל), כפי שמוצג באיור 2. מיקרוסקופ אלקטרונים השידור נעשה שימוש כדי לאשר את האחידות הרדיאלי של הסרטים ועל מנת למדוד את עובי שלהם. יש לנו בהצלחה חלקיקים מצופים הנעים בין 37 ננומטר ל -200 ננומטר בקוטר (איור 2) אך אין הגבלה על גודל בסיסי של חלקיקים כי ניתן לטפל בשיטה זו. שיעור בתצהיר פגז הוא כ 1 ננומטר / דקה. זה קצב איטי ולא מאפשר לשלוט על עובי של הסרטים דיבאופן מדויק באמצעות זמן בתצהיר. פלזמה polymerized הקליפה היא מחסום חדיר, כפי שהוכח על ידי העובדה כי חומר הליבה יכול להסיר תחריט או פירוק. איור 3 מציג את קליפות חלולות שנותרו לאחר הליבה סיליקה מוסר. הסרת הליבה הוא מלא אחידות עובי רדיאלי של הסרטים הם גבוהים למדי. לצורך הערכת חדירות דרך סרטים אלה, עברנו KCl כחומר הליבה מאז פירוק KCl ניתן לפקח בקלות רבה באמצעות מוליכות יונית של הפתרון. איור 4 מראה על שחרורו של KCl מהליבה ארבע דוגמאות בעובי שונה, 20 ננומטר, 40 ננומטר, 75 ננומטר ו -95 ננומטר, בהתאמה. חלקיקים מצופים הושעו KCl במים המוליכות של הפתרון לאחר מכן לתקופה של 30 יום. בנוסף לארבעת דגימות, שליטה המורכבת מחלקיקים KCl ללא ציפוי היה פיקוח גם. חלקיקים KCl ללא ציפוי dissolve תוך זמן קצר ביותר של דקות כ 1. לעומת זאת, KCl מצופה מראה קצב שחרור איטי באופן משמעותי. פרופיל שחרור חלקיקים מצופים מאופיין פרץ הראשונית מתרחשת בתוך שעה 1, ולאחר מכן שחרור איטי יותר שלוקח כמה ימים כדי להשלים, בהתאם לעובי של הסרט.

באיור 1. ייצוג סכמטי של הכנה של חלקיקים, בתצהיר פלזמה ו היווצרות החלקיקים חלול.

איור 2. תמונות TEM של מצופים (א), (ב) חלקיקי סיליקה עם D = 200 ננומטר, (ג) החלקיקים סיליקה עם D = 37 ננומטר, (ד) אלומיניום עם ד ~~~HEAD=NNS 100 ננומטר, ו (ה) החלקיקים KCl עם D = 100 nm

איור 3. TEM תמונות של חלקיקים חלולים לאחר צריבה (א), (ב) הליבה סיליקה בקוטר של 200 ננומטר, ו (ג) הליבה KCl.

איור 4. אפקט של עובי הקליפה על פרופיל שחרורו. הגרף מראה את השיבוץ אותו במהלך שעות 1.

Discussion

אחד האתגרים הגדולים ביותר חלקיקים ציפוי היא לספק כימיה תואם בין ציפוי ^1,2 המצע. המתודולוגיה המתוארת כאן יש יתרון כי זה לא חומר ספציפי. פולימרים פלזמה להראות הדבקה מצוינת על מגוון רחב של מצעים, כולל מתכות קשות (איור 2 (ג)), סיליקה (איור 2 (ג)), סיליקון או חומרים רכים (כגון פולימרים) ללא צורך כל שינוי משטח מיוחד ^{3 , 4,5.} טכניקה יש יתרון נוסף שהוא אינו מוגבל על ידי גודל של חלקיק הליבה ניתנת להתאמה בקלות חלקיקים בטווח ננו ו מיקרומטר. עובי של ציפוי נשלטת על ידי זמן בתצהיר ניתן לשנות בקלות על כמה מאות ננומטרים אחדים. ברמה אחרת של שליטה מסופק על ידי מבשר אורגני המשמש לייצור ציפוי. כך, למשל, האופי ההידרופובי של ציפוי יכולים להיות מגוונים על ידי Sele מתאיםction של מבשר ^6. היבט אחד של התהליך זקוק שיפור נוסף הוא השגת אחידות ציפוי. אנו מעריכים כי כ 70% של חלקיקים שטופלו בפלזמה להיות מצופה באופן מלא עם 30% הנותרים מראה ציפוי חלקי. תכנון והנדסה הכור חדשה שבה פלזמה המקיף מסביב חלקיקים במהלך כל התהליך יכול לשפר את זה.

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