Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Funksjonalisering av enkelt vegger karbonnanorør med Thermo-reversible blokkopolymerer og Karakterisering av Small-vinkel nøytronspredning

Published: June 1, 2016 doi: 10.3791/53969
Automatic Translation
1, 2,3, 1,4, 1, 1
1Biology and Soft Matter Division, Neutron Science Directorate, Oak Ridge National Laboratory, 2Center for Nanophase Materials Sciences, Oak Ridge National Laboratory, 3Department of Polymer Science and Engineering, Pusan National University, 4Jülich Center for Neutron Science, Forschungszentrum Jülich

Introduction

Karbon nanorør (CNTs) er hule sylindriske nanopartikler dannet ved å rulle en mikrometer-skala grafitt ark i et nanorør. På grunn av sine ekstraordinære mekaniske, termiske og elektriske egenskaper, har CNTs blitt grundig undersøkt som en roman kandidat til funksjonelle nanopartikler i terapeutiske og bio-sensing applikasjoner samt nano fyllstoff i selv montert nanocomposite materialer. 1-3 Men deres dårlig løselighet og sterk preferanse mot å gjøre bunter i vanlig brukte organiske og vandige løsningsmidler hindre enkel og miljøvennlig behandling samt fremskritt i biologiske anvendelser. Derfor er en rekke funksjonalise metoder, slik som ultra-sonikering, kjemisk overflatemodifikasjon, og ikke-kovalent funksjonalisering ved bruk av overflateaktive midler og blokk-kopolymerer, 4-9 har blitt utviklet for å modifisere CNT flater og forbedre deres dispergerbarhet i en lang rekke løsemidler. Ikke-kovalent funksjonellelization metoder basert på fysiske overflatebehandlinger, i særdeleshet, er ansett for å være en lovende og robust strategi, fordi enhver overflate-modifikasjon indusert undertrykkelse i indre CNT egenskaper kan minimeres. 10 Hittil har det vært en rekke tiltak for å forbedre spredning effektivitet av ikke-kovalente funksjonalise metoder ved hjelp av ulike typer spredt agenter inkludert grunnleggende tensider (f.eks SDS, CTAB, NaDDBS), 7,11 amfifile blokk-kopolymerer, 8 bio-materialer (f.eks DNA), 12,13 og syntetiske funksjonelle polymerer (for eksempel konjugert polymer, aromatisk polymer). 14,15

PEO-PPO-PEO-polymerer, en form for triblokk-kopolymer som består av to hydrofile poly (etylenoksid) (PEO) kjeder ved begge ender som er kovalent bundet til en hydrofob poly (propylenoksyd) (PPO) kjede på midten, kan forlenge den potensielle anvendelsen av ikke-kovalent funksjon CNTs jegN vandig løsning. Disse polymerer gir grensesnittet, som er vennlig ikke bare til CNT flater, men også til vandige medier og andre polymermatrikser og oppviser enorm biokompatibilitet på grunn av minimal toksisitet av PEO-kjeder. Dette muliggjør enklere behandling i et bredt spekter av dispergere miljøer, så vel som anvendelse av polymerbelagte CNTs i biomedisinske anvendelser. 12,16-17 Videre er rik termodynamiske faseoppførsel av disse polymerer basert på deres sensitive reaksjoner på ytre stimuli muliggjør fabrikasjon av de smarte blokk-kopolymer-CNT hybridnanostrukturer hvori intra- og inter-partikkelstrukturer kan reversibelt og nøyaktig kontrollerte. 18-21 Her presenterer vi en protokoll for fabrikasjon av CNT-baserte hybrid nanopartikler med en fleksibel innkapsling lag av PEO105-PPO70-PEO105 (poloxamer 407). Den resulterende strukturen er karakterisert ved liten vinkel nøytronspredning (SANS). Dette arbeidet forventes å introduksjonere begrepet smarte funksjonelle byggesteinene og hjelpe ikke-spesialister enkelt lage blokk-kopolymer-funksjon CNT suspensjoner og bruk SANS for detaljert karakterisering ved Oak Ridge National Laboratory.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Merk: Denne protokollen krever spesiell omsorg i håndtering av nanomaterialer. Som kjøpt enkelt vegger karbon nanorør (SWNTs) finnes i form av fint pulver og derfor bør de betraktes som nano farlig materiale før spre dem i vandige løsninger. Bruk egnet sikkerhetsutstyr beskrevet i sikkerhetsdatablad (MSDS).

1. Utarbeidelse av Poloxamer 407 / SWNT vandige suspensjoner

Merk: Fortsett med alle prøveopparbeidelse prosedyrer på en lavere temperatur enn den kritiske micellization temperatur (CMT) av blokk-kopolymerer brukes. Poloksameren 407 / SWNT prøver ble fremstilt ved 20 ° C, under CMT av poloksamer 407 (30 ° C). 21

  1. Fremstilling av Poloxamer 407, vandige oppløsninger (0,25% vekt / vekt)
    1. Fullstendig oppløse 0,175 g poloksamer 407 pulver i 70 g D 2 O.
      Merk: D 2 O brukes for SANSmålinger. 70 g D 2 O er omtrent 63,2 ml ved romtemperatur. For andre formål, er H 2 O anbefales for bruk.
  2. Utarbeidelse av råolje Poloksamer 407 / SWNT suspensjoner
    1. Legg 0,01 g SWNT pulver til to 50 ml koniske sentrifugerør (rør 1 og rør 2) separat.
    2. Legg 31,6 ml av poloksamer 407-løsning (1.1.1), inn i røret 1 og 31,6 ml av den gjenværende oppløsning inn i røret 2.
    3. Bland suspensjoner i røret 1 og 2 ved vortex-blanding i 5-10 min.
    4. Plasser røret 1 i et vannbad. Fest rørposisjon sikkert. (Figur 1) Dypp røret til luftdempet grensesnitt når overflaten av vannet i badekaret.
    5. Dypp tuppen av en ultrasonicator inn i suspensjonen av røret 1. øke sonication kraft gradvis fra 0% i det minste til SWNTs deponert i bunnen av røret begynner knuste og sprer seg på grunn av ultralyd forplantes f ROM ultrasonicator spissen. Behandle suspensjonen med ultralyd i 60 minutter ved 20 ° C, samtidig som suspensjonen temperaturen ble holdt under 25 ° C.
      Merk: Ikke legg spissen slutten dypere enn 1 cm inn i suspensjon. Holde suspensjonen temperatur under 25 ° C, enten ved å regulere temperaturen i vannbeholderen, eller ved å fylle badekaret på riktig måte.
    6. Gjenta trinn 1.2.4 og 1.2.5 for røret 2.
  3. Fremstilling av Poloxamer 407 / SWNT suspensjoner i fravær og nærvær av 5-Methylsalicylic syre
    1. Sentrifuger de grove suspensjoner i rørene 1 og 2 ved 9800 x g i 2 timer ved 20 ° C.
    2. Beveg 15 ml av supernatanten fra hvert rør til et nytt rør, hver for seg.
    3. Oppløs 0,015 g 5-methylsalicylic syre (5MS) i supernatanten tatt fra røret 2, og merke dette blanding som Prøve # 2. Merk den andre supernatanten fra røret en som Prøve nr 1.
e "> 2. Utvidet Q-serien Liten vinkel nøytronspredning (EQ-SANS) Målinger

Merk: For å jobbe på beamlines av Spallation Neutron Source (SNS), er en akseptert beamtime forslag nødvendig. Radiologisk sikkerhetsopplæring og annet instrument spesifikk trening er også nødvendig på forhånd. Tilgang og trening detaljer er gitt av SNS bruker Office og kan bli funnet på neutrons.ornl.gov.

  1. Eksempel lasting
    1. Belastning 0,3 ml Prøve nr ett av til en amorf kvarts banjo celle og Prøve nr 2 i en annen banjo celle (figur 2A-i). Sett lokk på de to cellene og forsegle dem ved å pakke tape sikkert rundt lokkene.
    2. Plasser en av de forseglede cellene mellom avstandsstykker (figur 2A-II) for en aluminiumcelle holderen (figur 2A-iii), og montere aluminium banjo celleholderen (figur 2B). Monter den andre cellen med et annet sett med banjo celleholderen på samme måte.
    3. Last den sammensatte celler i ulike prøve posisjoner av EQ-SANS prøve paddle (figur 3A). Lag en liste over prøve posisjoner padle.
  2. Målinger
    1. Sett konfigurasjoner for SANS målinger i et skript ved hjelp av et instrument vitenskapsmann, med henvisning til den gitte eksempelskriptet.
      Merk: Et eksempel på skriptet brukes under selve SANS målingene er gitt i supplerende materiale med kort kommentar. Dette eksempel er spesielt utformet for SANS målinger av to prøver (prøve # 1 og # 2) ved hjelp av et bølgelengdebånd på 9,1 Å <λ <13,2 Å ved den fiks 1,3 m sample-til-detektor avstanden med en 10 mm prøve åpning og en 30 mm bjelke stopp. Eksempelet skript kan brukes uten modifikasjon for prøven # 1 og # 2.
      1. For å dekke en q-området 0,01 til 0,4 Å - en velger en bølgelengde bånd på 9,1 Å <λ <13,2 Å og en sample-til-detektor avstand på 1,3 m ved å legge inn 1300 inn i detektoren stilling og 9 inn i bølgelengden, som vist i eksempelet skriptet.
      2. For å bruke en 10 mm prøveåpning og en 30 mm bjelke stopp, setter xy posisjoner av bjelke stopper og åpninger i manuset.
      3. Sett prøven posisjoner og tilhørende navn for både overføring og prøve spredning målinger.
      4. Lagre skriptet i mappen som tilsvarer strålen tid.
    2. Kjør skript for å utføre målinger ved å klikke på "Run Script" på høyre side av PyDAS kontrollvinduet (figur 3B) og laste den lagrede skriptet.
    3. Rette instrument laget av gjennomføringen av målinger etter at forsøket er ferdig.

3. SANS datareduksjon og analyse

  1. SANS datareduksjonsprosess
    1. For reduksjon av den målte dataBruker MantidPlot 23-24 programvare levert på analysis.sns.gov, med hjelp av instrumentet team.
      Merk: Detaljerte instruksjoner for å kjøre MantidPlot programvare kan bli funnet på analysis.sns.gov webside.
    2. Innenfor MantidPlot, åpner EQSANS reduksjon grensesnittet fra grensesnitt-menyen. (Interface> SANS> ORNL SANS). Input all nødvendig informasjon for datareduksjonsprosess.
      Merk: Det meste av viktig informasjon i datareduksjonsprosess er levert av instrumentet team. For informasjon, er relevante skjerm også i de supplerende materiale.
    3. Input all nødvendig informasjon i kategorien "Reduction Options".
      1. Input den absolutte skalafaktor fra standard prøvemåling. Skaff den absolutte intensiteten fra målingen av et godt karakterisert standard prøve hvis spredning intensitet er kjent (I (0) = 450 cm - 1) og monter med en Debye-Buche spredning modell. Input mørket gjeldende filnavn, som er levert av instrumentet team.
      2. Sjekk alternativer for "solid vinkelkorreksjon ',' Q oppløsning ',' bruk konfigurasjonsfilen ',' Riktig TOF ', og' bruker maske fra konfigurasjonsfilen som er aktuelt".
      3. Setter prøven åpningsdiameter på 10 mm. Sett antall Q-binger til 200 med en lineær Q binning ordningen. Input masken filnavnet, som også er levert av instrumentet team.
    4. Input all nødvendig informasjon for å full fanen Detector ".
      1. Sjekk 'Bruk bjelke finder "(med passform direkte bjelke alternativet) og" utføre følsomhet korreksjon ". Finn en bjelke senter 'datafil' med løp nummer av den tomme strålen måling.
      2. Inngangs følsomheten datafilen navn, som er levert av instrumentet vitenskapsmann. Sett tillatt følsomhetsområde til 0,5 og 2,5 for min og maks, henholdsvis. Kryss av &# 39; Bruk sample bjelke sentrum '.
    5. Input all nødvendig informasjon for kategorien 'Data'.
      1. Skriv inn prøven spredning løp nummer på 'Spredning datafilen. Angi prøven tykkelse i cm. Velg "Regn overføring".
      2. Skriv inn prøveoverførings løp nummer på 'Sample direkte strålen datafilen. Skriv tom bjelke løp nummer på 'Empty direkte strålen datafilen.
      3. Sjekk 'Bakgrunns datafil og skriv bakgrunn spredning løp nummer. Velg "Regn overføring". Skriv bakgrunn overføring løp nummer på 'Sample direkte strålen datafilen.
        Merk: I dette tilfellet er den tomme banjo celle spredning datafil er bakgrunnen spredning.
      4. Skriv tom bjelke løp nummer på 'Empty direkte strålen datafilen. Vanligvis er dette nummeret samme som tom bjelke løp nummer (3.1.5.2).
    6. Klikk på "Reduser" for å utføredatareduksjon.
      Merk: Utgangen er skrevet i angitt mappe som ##### _ Iq.txt hvor ##### er oppkjøringen antall prøven spredning filen. ASCII-formatet brukes til datafilene.
  2. Modell montering analyse
    Merk: SasView er en liten vinkel spredning analyse programvarepakke, som opprinnelig ble utviklet som en del av NSF DANSE-prosjektet, og er for tiden ledes av et internasjonalt samarbeid av fasiliteter (http://www.sasview.org/). Programvarepakken kan lastes ned på http://sourceforge.net/projects/sasview/files/.
    1. Kjør SasView, og laste inn en datafil ved å klikke på "Load Data 'fra' Data Explorer-vinduet.
    2. Klikk på "Send To" med "Fitting" alternativet, og sjekke data plottet på popup-vinduet.
    3. I "Fit Panel", velg "Shapes" under modellkategori, og velg "CoreShellCylinderModel" fra modellen drop-boksen.
      4. <li> justere parameterverdiene, slik at modellkurven er så nær datakurve som mulig.
      Merk: Bruk SLD (spredning lengde tetthet) kalkulator fra Verktøy-menyen for å beregne spredning lengde tettheter.
    4. Velg "Bruk dQ data" og "Bruk dI data" i beslaget panel. Juster Q spekter av data for montering. Klikk på "Tilpass" for å utføre data montering.

4. Real-plass Observasjon Bruke Atomic Force Mikroskopi (AFM)

  1. Prøvepreparering på Si-wafere bruker spin belegg
    1. For AFM målinger, ta 0,1 ml prøveløsning fra Prøve nr 1 (1.3.3), og bland den med 1,9 ml de-ionisert vann.
    2. Plasser en ren Si-wafer (12 mm x 12 mm) på en snurr belegger. Fest wafer posisjon ved hjelp av et vakuum chuck.
    3. Angi rotasjonshastigheten og kjøretiden ved 1500 omdreininger per minutt (rpm) og 60 sekunder, respektivt. Fukt den eksponerte overflaten av skiven med denfortynnet prøve. Begynn spin belegg.
    4. Slå av vakuumpumpen, og fjern belagt wafer fra spin coater.
  2. AFM målinger
    1. Fest spin-belagt skive (4.1.4) på ​​en jern disken med en tosidige selvklebende karbon tape.
    2. Ta prøven disk (4.2.1) nærmere kanten av den konkurranseutsatte delen av skanneren først, og skyv disken mot midten til bunnen overflaten av disken fullstendig dekker toppen av skanneren.
      Merk: Unngå brå kontakt fordi en magnet på toppen av skanneren sterkt tilt jern disk. Forsiktig lage en kontakt mellom to sider av disken og skanneren.
    3. Monter scanning probe mikroskop (SPM) hodet på skanneren, og plugg i kabelen.
      Merk: Ekstrem forsiktighet må være betalt mens du beveger SPM hodet eller dokking (fjerne) det til (fra) skanneren. Når hodet er løsrevet fra skanneren trinnet, holder bunnflaten av hodet som vender mot upwaRDS hele tiden.
    4. Kjør instrument-leverte kontroll programvare, og velg tapping modus i "System Configuration" -vinduet.
    5. Sett cantilever spissen på midten av skjermen vinduet ved å justere de grove og fine knotter av det optiske mikroskop og ved å bevege x- og y- optiske etapper.
    6. Juster laseren ved å justere laserjusteringsknottene på SPM hodet. Finn den røde laserpunktet til cantilever omtrent, og flytter prikken til midten av cantilever spissen ved å spore prikken vist på skjermen.
      Merk: Når laseren er riktig justert, vises rosa refleksjon flekk på laser justering vinduet.
    7. Juster detektoren ved å finne den rosa refleksjonen bildet i midten av laser justering vinduet. Justering av fotodetektor nupper på SPM hodet til kvadrant fotodiode (QPD) signal summen er større enn 2 V minst (02.01 til 02.04 V).
    8. Tune cantilever bruker Autotune i Cantilever Tuning window. Kjør Autotune i et frekvensområde fra 0 - 1000 kHz.
    9. Ta wafer overflaten i fokus av mikroskopet ved å justere fokus knotter.
    10. Kjør cantilever spissen langsomt mot wafer overflaten ved hjelp av opp- og ned-pilene i "Motor Stage-vinduet. Stoppe bevegelsen før spissen berører prøveoverflaten.
      Merk: Som spissen nærmer seg wafer, vises uskarpt svart bilde av spissen på skjermen, og bildet blir klart når spissen og wafer overflaten ta kontakt. Aldri la tuppen fysisk berøre prøven. Det skader både prøve- og instrument. Stopp tips når mørket uskarpt bilde vises.
    11. Klikk på delta knappen på verktøylinjen.
    12. Velg en skannestørrelse (5-10 mikrometer), en sampling nummer (512-1,024), og en scan rate (0,5-0,6 Hz) i popup-vinduet, for å skaffe seg en storstilt bilde først.
    13. Starte skanningen. Gradvis justere P (proporsjonal gevinst), I (integrert gain) og D (vertikal delysreflekterende) verdier hvis kontrasten mellom partiklene og underlaget bakgrunnen er for lav til å tydelig gjenkjenne partikkelformer og grenser fra det skannede bildet.
      Merk: Når en ny PID verdi sett inn, vil skanneprosessen automatisk bli startet på nytt.
    14. Hvis det er en region av interesse i stor skala image, å kjøre scan med et skikkelig sett med skannestørrelse, x-offset, y-offset, og prøvenummer.
    15. Løsne sonden etter måling.
      Merk: Hev sondehodet for å hindre skader på cantilever spissen og prøven. Fjern proben hodet først, og deretter, ta prøven disk.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Poloxamer 407-belagt SWNT nanorod suspensjoner ble fremstilt ved bruk av prøvefremstillingsmetode (figur 4), som kan deles opp i to viktige prosesser; den fysiske adsorpsjon fremgangs poloksamer 407 på SWNT overflater ved hjelp av ultra-sonikering, og fraksjoneringsprosess av individuelt-stabiliserte SWNTs fra medfølgende aggregater ved hjelp av sentrifugering.

De SANS spredningsintensitet ble oppnådd for den fremstilte poloksamer 407 / SWNT / D 2 O prøven i et temperaturområde på 20-60 ° C i fravær (figur 5A) og nærvær (figur 5B) av 5MS. Det spredende intensiteter med q - 1 oppførsel i den lave q regionene (<0,02 Å - 1) indikerer at det foreligger sylindriske stav-lignende partikler i vandige medier. Ved å endre temperaturen fra 20 ° C til 60° C eller ved å legge 5ms tilsetningsstoffer, sprednings intensiteter viser klare endringer; et skift til høyere q i den mellomliggende q-region (0,02 til 0,05 Å - 1), og utvikling av en topp ved høy q (ca. 0,11 Å - 1) observeres. Disse analoge endringer på grunn av temperaturkontroll og 5MS-tillegg stammer fra den strukturelle endringen av poloksamer 407-innkapsling lag på SWNTs. Som oppsummert i figur 6A-6D, CNT kjerne / hydrofob indre skall / hydratisert poloxamer 407 sjikt gjennomgår en strukturell transformasjon fra en SWNT innkapslet av sfæriske miceller av poloksamer 407 ved romtemperatur til en SWNT innkapslet av en kompakt, sylindrisk lag av poloksamer 407 i høyere temperatur. Den strukturendring var reversibel med varierende temperatur, uavhengig av eksistensen av 5ms additiver; størrelsen av hydratisert polymer klumper ble reversibelt kontrollert i et temperaturområde mellom 20 ° C og 60 ° C. I løpet av denne structural endring av poloksamer 407 sjiktet, den sfæriske poloksamer 407 micelle med en treghetsradius på 45 Å, som består av flere Poloxamer 407 kjeder, blir et sett av enkelt-kjedede klumper som omgir SWNT kjerne mer kompakt med en treghetsradius 30. Å.

Den strukturendring av både temperaturkontroll og tilsetningsstoffer, er forklarlig ved variasjoner i intermolekylære interaksjoner mellom polymerer, vann og SWNTs. Å øke hydrofobisiteten til PPO og PEO-blokker med økende temperatur bevirker sterkere vekselvirkning adsorberte polymerer med SWNT kjerne flater enn med vann. 21 Som et resultat av de adsorberte polymerer som danner mer kompakt innkapsling lag ved høy temperatur for å dekke den hydrofobe kjernen på en mer effektiv og redusere grense fri energi. Denne tendensen kan bli mer fremmes i nærvær av 5MS, på grunn av preferanse interaksjonen mellom SWNT og en benzenring av 5MS samt sterk tendens til 5MS til å binde med poloksamer 407. 21,22 Spesielt, den indre skalltykkelsen (figur 6B), som ble målt til å være omtrent 3 Å i nærheten av den plane avstanden mellom 5 ms molekyler og overflater SWNT , 21 er i god overensstemmelse med prediksjon at den ekstra 5MS foretrekker å okkupere SWNT areal og gir et grensesnitt til polymerer.

Som en komplementær undersøkelse til SANS studien, poloxamer 407 / SWNT nanorods ble observert i det virkelige rommet ved hjelp av en AFM. 7A og 7B er å hanke mode AFM bilder av Poloxamer 407 / SWNT nanorods som var spin-belagt på en Si-wafer. Selv om disse AFM bilder bare viser en tørket morfologi av nanostaver uten vann, de gir bevis på de-kobling og dispersjon av SWNTs samt lengden fordelingen av nanorods.

keep-together.within-page = "1"> Figur 1
Figur 1. Snapshot av ultrasonication prosess for SWNT stabilisering. En prøverør settes i et vannbad med spissen dyppet i. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2. Aluminum banjo celle holder for EQ-SANS eksperiment på SNS. (A) demontert deler inkludert (i) en banjo celle (ii) avstandsstykker, og (iii) en holder. (B) Sammensatte deler. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

3 "src =" / files / ftp_upload / 53969 / 53969fig3.jpg "/>
Figur 3. Standard EQ-SANS eksperiment miljøer. (A) Sample messe, og (B) kontroll programvare på strålen linje. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4. Forenklet prøvefremstillingsmetode for Poloxamer 407 / SWNT (prøve nr 1) og Poloxamer 407 / SWNT / 5MS (prøve nr 2) suspensjoner. Masseforholdet mellom SWNTs og Poloxamer 407 i disse siste suspensjonene ble målt ved hjelp av termogravimetrisk analyse (TGA ) etter frysetørking (*). (Dette tallet har blitt modifisert med tillatelse fra ref. 21. Copyright 2015, American Chemical Society.)k "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5
Figur 5. SANS intensiteter målt i et temperaturområde fra 20 ° C til 60 ° C. (A) Poloxamer 407 / SWNT / D 2 O prøve. (B) Poloxamer 407 / SWNT / 5MS / D 2 O prøven. De heltrukne linjer er kurvene som oppnås ved å tilpasse SANS data ved hjelp av en modifisert kjerne / skall / kjede modell. Q - en oppførsel ved lave q regioner rundt 0,01 A - 1 indikerer eksistensen av stavlignende partikler i suspensjon. Kurvene har blitt forskjøvet for oversiktens skyld. (Dette tallet har blitt modifisert med tillatelse fra ref. 21. Copyright 2015, American Chemical Society.) Klikk her for å se en større versjon av denne Figure.

Figur 6
Figur 6. Detaljert strukturer av innkapsling lag fra en SANS modell fit analyse. (A) treghetsradien (R g) av poloksamer 407 kjede klatter og (b) tykkelsen av hydrofobe indre skall-lag (T 1) på SWNT overflater i fravær (diamant) og nærvær (firkantet) av 5-Methylsalicylic syre (5MS) i et temperaturområde fra 20 ° C til 60 ° C. Rg er reversibelt endret ved å regulere temperatur via varme (fylt markør) og avkjøling (fylt markør med et kryss inne) prosesser, uavhengig av eksistensen av 5MS. (CD) skjematisk tverrsnitt diagrammer foreslått fra SANS analyse for poloksameren 407 / SWNT nanostaver ved værelsetemperatur (topp) og dets strukturelle forandringer med økende temperatur eller tilsetning av additiver (nederst). (Dette tallet haer blitt modifisert med tillatelse fra dommeren. 21. Copyright 2015 American Chemical Society.) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 7
Figur 7. Tapping mode AFM bilder av spin-belagt Poloxamer 407 / SWNT nanorods på Si-wafer. (A) Høyden kanal bilde gir z-retnings tykkelse informasjon. (B) Tappe amplitude kanal bilde presenterer klare grenser avsatt nanopartikler. Skala: 1 mikrometer. (Dette tallet har blitt modifisert med tillatelse fra ref. 21. Copyright 2015, American Chemical Society.) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

SANS og AFM målinger viste at SWNTs har blitt de-buntet og individuelt dispergert i vandig løsning ved hjelp av en poloksamer 407 triblokk copolymer. I denne prøvefremstillingsmetode, ultra-sonikering og sentrifugeringsprosesser er de kritiske trinn som bestemmer egenskapene til den endelige suspensjon. Den sterke samspillet mellom SWNTs, noe som tvinger ubestrøket SWNTs å pakke sammen i løsningen, må overvinnes for å stabilisere de enkelte SWNTs med blokk-kopolymerer. Tilveiebringe et tilstrekkelig energi for en ordentlig lang tid tillater polymerene for å overvinne energibarrierene og stabilisere SWNT med hell. Likevel er det for vanskelig å fjerne alle SWNT bunter i suspensjonen og dermed den fraksjoneringsprosess er også viktig å produsere høy renhet og kvalitet prøver. Optimalisering i sonication kraft, sentrifugeringshastighet, og innsamling volumet av supernatanten er nødvendig hvis noen forbedring i prøvenrenhet og utbytte sats er nødvendig.

Ved hjelp av denne metoden, kan termo-reverserbar CNT / polymer-nanopartikler av ulike størrelser fremstilles ved å variere molekylvekten av triblokk-kopolymer. Det er blitt forutsagt at stabilisering av karbon nanorør ved hjelp av amfifile blokk-kopolymerer som viser størrelsen selektivitet, slik at karbon nanorør med en bestemt diameter kan selektivt oppløses. 25 I dette arbeidet SANS analyse viser at SWNT kjernen i de syntetiserte nanostaver har en diameter om 7,2 Å i gjennomsnitt. Dette innebærer at poloksamer 407 kan selv solubilisere SWNTs med en forholdsvis liten diameter rundt 7-8 Å blant HiPCo (høyt trykk karbonmonoksyd) SWNTs, som er kjent for å ha en diameter på 7-14 Å. 26 Derfor er et rasjonelt valg av molekylvekt og PEO / PPO masse-forhold i PEO-PPO-PEO-polymerer som gjør det mulig for forskere ikke bare å benytte enten enkelt-vegger eller flerveggs karbonnanorør hensynmindre av sin diameter, men også til størrelse-selektivt dikte polymer-CNT hybrid nanorods via denne strategien.

Selv om en rekke av PEO-PPO-PEO polymerbelagte CNT nanostaver kan fremstilles ved samme fremstillingsmetode, metoder for karakterisering av den detaljerte struktur i fast plass er ganske begrenset. Vanlig brukte optiske mikroskopi instrumenter er ikke hensiktsmessig på grunn av svært liten partikkelstørrelse. Elektronmikroskopi (EM) og AFM teknikker har også begrensninger. Fordampning av løsningsmiddel som kreves i tørr-em og AFM teknikker hindrer in-situ karakterisering og kan forårsake en endring morfologi, og temperaturen quenching i cryo-EM hindrer sanntids overvåkning med temperaturkontroll. Således er den strukturelle karakteriseringen i q-plass ved hjelp av små vinkelspredningsteknikker viktig i dette system, og det er også kraftigere hvis en hvilken som helst annen fast-plass observasjon kan tilveiebringes som en komplementær måte.

21

Gjennom dette arbeidet er det vist at de syntetiserte hybridnanopartikler utviser en sensitiv temperaturavhengig respons av deres innkapsling struktur. Disse systemene presentere en interessant modell for smarte funksjonelle byggesteinene som selv montere inn høyere bestilt nanostrukturer og som intra- og inter-partikkel strukturer er reversibelt kontrollert som en reaksjon på ytre stimuli. Mens teknikken present gir seg til å produsere godt organisert, selv-sammensatte systemer, er det fortsatt utfordringer som skal overvinnes før de kan benyttes i enheter. For eksempel, etter ultralyd CNT-er er ikke ensartet i lengde begrensende fullt tredimensjonal orden. Likevel vellykket design fabrikasjon av form fleksibel nano-byggeklossene gir en lovende mulighet tilselv montert smarte funksjonelle materialer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
HiPco Single-walled carbon nanotubes Unidym P2771
Pluronic F127 BASF 9003-11-6 Mw = 12.6 kg/mol
5-methylsalicylic acid TCI America C0410
Ultrasonic processor Cole-Parmer ML-04714-52
Sorvall 6 plus centrifuge Thermo Scientific 46910
Innova AFM Bruker
Si-wafer Silicon Quest International 150 mm in diameter; N type <1-1-1> cut; 1-10 Ohm/cm; Single-side polyshed (675 ± 25 μm); Diced (12 mm x 12 mm)

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kostarelos, K., Bianco, A., Prato, M. Promises, facts and challenges for carbon nanotubes in imaging and therapeutics. Nat Nanotechnol. 4 (10), 627-633 (2009).
  2. Baughman, R. H., Zakhidov, A. A., de Heer, W. A. Carbon nanotubes--the route toward applications. Science. 297 (5582), 787-792 (2002).
  3. Wang, J. Carbon-nanotube based electrochemical biosensors: a review. Electroanal. 17 (1), 7-14 (2005).
  4. Kim, T. H., Doe, C., Kline, S. R., Choi, S. M. Water-Redispersible Isolated Single-Walled Carbon Nanotubes Fabricated by In Situ Polymerization of Micelles. Adv Mater. 19 (7), 929-933 (2007).
  5. Doe, C., Choi, S. M., Kline, S. R., Jang, H. S., Kim, T. H. Charged Rod-Like Nanoparticles Assisting Single-Walled Carbon Nanotube Dispersion in Water. Adv Funct Mater. 18 (18), 2685-2691 (2008).
  6. Kim, S. W., et al. Surface modifications for the effective dispersion of carbon nanotubes in solvents and polymers. Carbon. 50 (1), 3-33 (2012).
  7. Moore, V. C., et al. Individually suspended single-walled carbon nanotubes in various surfactants. Nano Lett. 3 (10), 1379-1382 (2003).
  8. Mountrichas, G., Tagmatarchis, N., Pispas, S. Synthesis and solution behavior of carbon nanotubes decorated with amphiphilic block polyelectrolytes. J Phys Chem B. 111 (29), 8369-8372 (2007).
  9. Habibnejad Korayem, A., et al. Transition and Stability of Copolymer Adsorption Morphologies on the Surface of Carbon Nanotubes and Implications on Their Dispersion. Langmuir. 30 (33), 10035-10042 (2014).
  10. Yang, Z., et al. Noncovalent-wrapped sidewall functionalization of multiwalled carbon nanotubes with polyimide. Polym Composite. 28 (1), 36-41 (2007).
  11. Islam, M. F., Rojas, E., Bergey, D. M., Johnson, A. T., Yodh, A. G. High weight fraction surfactant solubilization of single-wall carbon nanotubes in water. Nano Lett. 3 (2), 269-273 (2003).
  12. Kim, J. S., Song, K. S., Lee, J. H., Yu, I. J. Evaluation of biocompatible dispersants for carbon nanotube toxicity tests. Arch Toxicol. 85 (12), 1499-1508 (2011).
  13. Zheng, M., et al. DNA-assisted dispersion and separation of carbon nanotubes. Nat Mater. 2 (5), 338-342 (2003).
  14. Nish, A., Hwang, J. Y., Doig, J., Nicholas, R. J. Highly selective dispersion of single-walled carbon nanotubes using aromatic polymers. Nat Nanotechnol. 2 (10), 640-646 (2007).
  15. Chen, J., et al. Noncovalent engineering of carbon nanotube surfaces by rigid, functional conjugated polymers. J Am Chem Soc. 124 (31), 9034-9035 (2002).
  16. Jones, M. C., Leroux, J. C. Polymeric micelles-a new generation of colloidal drug carriers. Eur J Pharm Biopharm. 48 (2), 101-111 (1999).
  17. Chiappetta, D. A., Sosnik, A. Poly (ethylene oxide)-poly (propylene oxide) block copolymer micelles as drug delivery agents: improved hydrosolubility, stability and bioavailability of drugs. Eur J Pharm Biopharm. 66 (3), 303-317 (2007).
  18. Alexandridis, P., Zhou, D., Khan, A. Lyotropic liquid crystallinity in amphiphilic block copolymers: temperature effects on phase behavior and structure for poly (ethylene oxide)-b-poly (propylene oxide)-b-poly (ethylene oxide) copolymers of different composition. Langmuir. 12 (11), 2690-2700 (1996).
  19. Doe, C., Jang, H. S., Kim, T. H., Kline, S. R., Choi, S. M. Thermally switchable one-and two-dimensional arrays of single-walled carbon nanotubes in a polymeric system. J Am Chem Soc. 131 (45), 16568-16572 (2009).
  20. Doe, C., Jang, H. S., Kline, S. R., Choi, S. M. SANS Investigation of Selectively Distributed Single-Walled Carbon Nanotubes in a Polymeric Lamellar Phase. Macromolecules. 43 (12), 5411-5416 (2010).
  21. Han, Y., Ahn, S. K., Zhang, Z., Smith, G. S., Do, C. Tunable Encapsulation Structure of Block Copolymer Coated Single-Walled Carbon Nanotubes in Aqueous Solution. Macromolecules. 48 (11), 3475-3480 (2015).
  22. Kim, T. H., Han, Y. S., Jang, J. D., Seong, B. S. SANS study on self-assembled structures of Pluronic F127 triblock copolymer induced by additives and temperature. J Appl Cryst. 47 (1), 53-59 (2013).
  23. Arnold, O., et al. Mantid-Data analysis and visualization package for neutron scattering and µ SR experiments. Nucl Instrum Meth A. 764 (1), 156-166 (2014).
  24. Alvarez, R., et al. Mantid 3.4: Manipulation and Analysis Toolkit for Instrument Data. Mantid Project. , (2015).
  25. Nagarajan, R., Bradley, R. A., Nair, B. R. Thermodynamically stable, size selective solubilization of carbon nanotubes in aqueous solutions of amphiphilic block copolymers. J Chem Phys. 131 (10), 104906 (2009).
  26. Nikolaev, P., et al. Gas-phase catalytic growth of single-walled carbon nanotubes from carbon monoxide. Chem. Phys Lett. 313 (1), 91-97 (1999).

Tags

Kjemi Karbon nanorør funksjonalisering av karbon nanorør blokk-kopolymerer selvbygging liten vinkel nøytronspredning termo-reversible
Funksjonalisering av enkelt vegger karbonnanorør med Thermo-reversible blokkopolymerer og Karakterisering av Small-vinkel nøytronspredning
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Han, Y., Ahn, S. k., Zhang, Z.,… More

Han, Y., Ahn, S. k., Zhang, Z., Smith, G. S., Do, C. Functionalization of Single-walled Carbon Nanotubes with Thermo-reversible Block Copolymers and Characterization by Small-angle Neutron Scattering. J. Vis. Exp. (112), e53969, doi:10.3791/53969 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter