Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Функционализация одностенных углеродных нанотрубок с Thermo-обратимых блоксополимеров и характеристика малоуглового рассеяния нейтронов

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

Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой полые цилиндрические наночастицы, сформированные прокаткой микронных графитовый лист в нанотрубке. Из - за своих необычных механических, тепловых и электрических свойств, УНТ были широко исследованы в качестве нового кандидата для функциональных наночастиц в терапевтических и био-зондирования приложений, а также нано-наполнителей в самоорганизующихся нанокомпозитных материалов. 1-3 Тем не менее, их плохая растворимость и сильное предпочтение в сторону создания пучков в обычно используемых органических и водных растворителей препятствуют легкий и экологически чистые переработки, а также достижения в области биологических применений. Таким образом, различные методы функционализации, например, ультра- обработки ультразвуком, модификации поверхности химического и нековалентного функционализации с использованием поверхностно -активных веществ и блок - сополимеров, 4-9, были разработаны для модификации поверхности НКТ и улучшить их диспергируемость в широком диапазоне растворители. Нековалентная functionaМетоды лизация на основе физических способов обработки поверхности, в частности, считается перспективным и надежной стратегией, потому что любая поверхность модификация индуцированное подавление в собственных свойств углеродных нанотрубок может быть сведено к минимуму. 10 На сегодняшний день, были многочисленные усилия по повышению эффективности дисперсии нековалентных методов функционализации путем использования различных типов диспергирующих агентов , включая основные поверхностно -активные вещества (например, SDS, СТАВ, NaDDBS), 7,11 амфифильные блок - сополимеры, 8 био-материалы (например, ДНК), 12,13 и синтетических функциональных полимеров (например, сопряженного полимера, ароматический полимер). 14,15

ПЭО-ППО-ПЭО полимеры, своего рода триблоксополимера, состоящий из двух гидрофильным поли (этиленоксид) (ПЭО) цепи на обоих концах, ковалентно связанных с одним гидрофобным поли (пропиленоксид) (ППО) цепи в центре, может расширить потенциал применение нековалентно функционализованных углеродных нанотрубок ян водный раствор. Эти полимеры обеспечивают интерфейс, который является дружественным не только на поверхности углеродных нанотрубок, но и в водных средах и других полимерных матриц и обладает огромным биосовместимости вследствие минимальной токсичности цепей ПЭО. Это облегчает простую обработку в широком диапазоне диспергирующих сред, а также использования с полимерным покрытием нанотрубок в биомедицине. 12,16-17 Кроме того, богатые термодинамическое поведение фазы этих полимеров на основе их чувствительных ответах на внешние раздражители позволяет изготовление смарт - блок - сополимер-CNT гибридных наноструктур , в которых внутри- и структуры между частицами может быть обратимо и точно контролируемыми. 18-21 Здесь мы приводим протокол для изготовления гибридных наночастиц на основе УНТ с перестраиваемой инкапсулирования слоем PEO105-PPO70-PEO105 (полоксамер 407). Полученная структура характеризуется малоуглового рассеяния нейтронов (SANS). Эта работа, как ожидается, Вве концепция интеллектуальных функциональных структурных блоков и помочь неспециалистам легко подготовить блок-сополимер-функционализированные CNT суспензии и использовать SANS для детальной характеристики в Oak Ridge National Laboratory.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Примечание: Этот протокол требует особой осторожности при обращении с наноматериалами. Как приобретенное одностенных углеродных нанотрубок (ОСНТ) существуют в виде мелкого порошка и, таким образом, они должны рассматриваться как нано-опасных материалов перед диспергированием их в водных растворах. Пожалуйста, используйте соответствующее оборудование безопасности, описанной в паспорте безопасности (MSDS).

1. Получение полоксамер 407 / ОСНТ водных суспензи

Примечание: Осуществите всех процедур подготовки пробы при более низкой температуре, чем критическая температура мицеллообразования (СМТ), блок-сополимеров, используемых. Полоксамер 407 образцов / SWNT готовили при 20 ° С, ниже СМТ полоксамера 407 (30 ° C). 21

  1. Приготовление полоксамера 407 водных растворов (0,25% вес / вес)
    1. Полностью растворите 0,175 г полоксамера 407 порошка в 70 г D 2 O.
      Примечание: D 2 O используется для SANSизмерения. 70 г D 2 O составляет приблизительно 63,2 мл при комнатной температуре. Для других целей, H 2 O , рекомендуется для использования.
  2. Приготовление сырой полоксамера 407 / SWNT суспензий
    1. Добавить 0,01 г порошка ОНТ к двум 50 мл конические центрифужные пробирки (трубки 1 и трубки 2) отдельно.
    2. Добавить 31,6 мл раствора полоксамер 407 (1.1.1), в трубу 1, и 31,6 мл оставшегося раствора в трубу 2.
    3. Смешайте суспензии в трубке 1 и 2 с помощью вихревого смешивания в течение 5-10 мин.
    4. Поместите трубку 1 в водяной бане. Зафиксировать положение трубки надежно. (Рисунок 1) Dip трубку до тех пор , интерфейс пневматической подвеской не достигает поверхности воды в ванне.
    5. Dip верхушку ультразвукового дезинтегратора в суспензию трубки 1. Увеличение мощности обработки ультразвуком постепенно от 0%, по крайней мере до тех пор, ОНТ, осажденные на дне пробирки не начинают разрушать и распространения из-за ультразвукового размножают F ПЗУ наконечник ультразвукового дезинтегратора. Обрабатывают суспензии с ультразвуком в течение 60 мин при 20 ° С, поддерживая при этом температуру ниже подвески 25 ° C.
      Примечание: Не опускайте конец наконечника глубже, чем 1 см в суспензию. Поддерживают температуру подвески ниже 25 ° C, либо путем регулирования температуры резервуара для воды или путем повторного заполнения ванны соответствующим образом.
    6. Повторите шаги 1.2.4 и 1.2.5 для трубы 2.
  3. Приготовление полоксамер 407 / ОСНТ суспензий в отсутствие и в присутствии 5-Methylsalicylic кислоты
    1. Центрифуга сырые суспензии в пробирки 1 и 2 при 9,800 × г в течение 2 ч при температуре 20 ° С.
    2. Переместить 15 мл надосадочной жидкости из каждой пробирки в новую пробирку, отдельно.
    3. Растворите 0,015 г 5-methylsalicylic кислоты (5 мс) в супернатант, взятой из трубы 2, и маркировать эту смесь как образец # 2. Этикетка другой супернатант из трубки 1 в качестве образца # 1.
е "> 2. Расширенная Q-диапазон малоуглового рассеяния нейтронов (EQ-SANS) Измерения

Примечание: Для работы на beamlines в расщеплении Neutron Source (SNS), требуется принял предложение beamtime. Радиологический подготовка по вопросам безопасности и другой инструмент специальной подготовки также необходимо заранее. Доступ и обучение детали обеспечиваются SNS пользователя Бюро и могут быть найдены в neutrons.ornl.gov.

  1. Пример загрузки
    1. Нагрузка 0,3 мл образца № 1 в аморфное кварцевое банджо ячейки и образца # 2 в другой банджо клетки (рис 2А-я). Положите на веки двух ячеек и запечатать их, обернув ленту надежно вокруг крышки.
    2. Поместите один из запечатанных ячеек между распорками (рис 2A-II) для алюминиевый держатель ячейки (рис 2A-III), и собрать алюминиевый держатель банджо клеток (Фигура 2В). Собрать другую клетку, с другим набором держателя банджо клетки таким же образом,,
    3. Загрузите собранные клетки в различных положениях выборочных образцов лопаткой EQ-SANS (рис 3А). Составьте список образцов позиций лопаткой.
  2. измерения
    1. Установка конфигурации для измерений SANS в сценарии с помощью приборного ученого, со ссылкой на данном примере сценария.
      Примечание: Пример сценария, используемого в ходе реальных измерений SANS предусмотрено в дополнительном материале с кратким комментарием. Этот пример разработан специально для SANS измерений двух образцов (образец № 1 и № 2), используя полосу длин волн 9,1 А <λ <13,2 Å при фиксированном 1,3 м от выборки к детектора расстояния с образца апертурой 10 мм и 30 мм луч остановки. Пример сценария может быть использован без каких-либо изменений для образца # 1 и # 2.
      1. Чтобы покрыть ватную диапазон 0,01 - 0,4 А - 1, выберите диапазон длин волн 9,1 А <λ <13,2 Å, и образец к детектору расстоянии 1,3 м путем ввода 1300 на положение детектора и 9 в длине волны, как показано в примере сценария.
      2. Для использования 10 мм образца апертуры и остановки пучка 30 мм, установите ху позиции остановки пучка и отверстий в сценарии.
      3. Установите позиции образца и соответствующие имена для обоих измерений рассеяния и передачи образцов.
      4. Сохраните сценарий в папке, соответствующей времени луча.
    2. Выполнение скрипта для выполнения измерений, нажав на "Run Script" на правой стороне окна управления PyDAS (Рисунок 3B) и загрузка сохраненного сценария.
    3. Информировать инструмент команду завершения измерений после того, как эксперимент закончен.

3. SANS обработка и анализ данных

  1. Процесс восстановления данных SANS
    1. Для уменьшения измеренных данныхИспользуйте MantidPlot 23-24 программное обеспечение , предоставленное на analysis.sns.gov, с помощью команды инструмента.
      Примечание: Подробные инструкции для запуска программного обеспечения MantidPlot можно найти на веб-странице analysis.sns.gov.
    2. В MantidPlot, откройте интерфейс сокращения EQSANS из меню интерфейсов. (Интерфейс> SANS> ORNL SANS). Введите всю необходимую информацию для процесса восстановления данных.
      Примечание: Большая часть важной информации в процессе восстановления данных обеспечивается группой приборов. Для получения дополнительной информации, соответствующие снимки экрана также предусмотрены в дополнительных материалах.
    3. Введите всю необходимую информацию на вкладке "Варианты сокращения".
      1. Введите абсолютный коэффициент масштабирования из стандартного измерения образца. Получить абсолютную интенсивность от измерения хорошо охарактеризована стандартного образца, рассеяния интенсивность известна (I (0) = 450 см - 1) и согласуется с рассеивающей модели Дебая-Buche. Введите имя текущего темно-файл, в котором обеспечивается группой приборов.
      2. Проверьте параметры для "твердой коррекции угла ',' разрешение Q ',' конфигурационного файла используйте ',' Correct TOF ', и' маска пользователя из файла конфигурации в зависимости от обстоятельств".
      3. Установить диаметр образца апертуры до 10 мм. Установить количество Q бункеров до 200 с линейной схемой Q биннинга. Введите имя файла маски, которая также обеспечивается командой приборов.
    4. Введите всю необходимую информацию для завершения вкладку "Детектор".
      1. Проверьте "Использовать балки находку (с отделкой вариант прямого луча) и" выполнить коррекцию чувствительности. Найти луч центра "файл данных" с помощью номера выполнения измерения пустого луча.
      2. Введите имя файла данные о чувствительности, которая обеспечивается приборном ученого. Установите допустимый диапазон чувствительности до 0,5 и 2,5 для мин и макс, соответственно. Проверьте &# 39; Использовать образец луча центр '.
    5. Введите всю необходимую информацию для вкладки 'Data'.
      1. Введите образец рассеяния номер прогона на "Рассеяние файл данных '. Укажите толщину образца в см. Выберите "Рассчитать передачу".
      2. Введите номер передачи образца прогона в 'Sample прямого луча файла данных'. Введите пустой номер луча в перспективе "Пустой прямой луч файла данных '.
      3. Проверьте 'файл данных в фоновом режиме "и введите фон рассеяния число перспективе. Выберите "Рассчитать передачу". Введите фон передачи номер прогона в 'Sample прямого луча файла данных'.
        Примечание: В этом случае пустая банджо ячейка файл данных рассеяния является фоновое рассеяние.
      4. Введите пустой номер луча в перспективе "Пустой прямой луч файла данных '. Как правило, это число совпадает с числом порожнего пробега луча (3.1.5.2).
    6. Нажмите на "Уменьшить", чтобы выполнитьвосстановление данных.
      Примечание: Выходной сигнал записывается в указанной папке, ##### _ Iq.txt где ##### является прогон номер файла образца рассеяния. Формат ASCII используется для файлов данных.
  2. Модель фитинга анализ
    Примечание: SasView является малоуглового рассеяния программного обеспечения для анализа пакета, который был первоначально разработан в рамках проекта НФС Danse, и в настоящее время под управлением международного сотрудничества объектов (http://www.sasview.org/~~HEAD=pobj). Пакет программного обеспечения можно загрузить по адресу http://sourceforge.net/projects/sasview/files/.
    1. Запуск SasView, и загрузить файл данных, нажав на "Load Data" из окна "Проводника Data '.
    2. Нажмите на "Отправить" с опцией '' Место и проверить график данных на всплывающем окне.
    3. В "Fit панели", выберите "Формы" в соответствии с моделью категории, и выберите "CoreShellCylinderModel" из коробки капельной модели.
      4. <li> Настройте значения параметров, поэтому кривая модель как можно ближе к кривой данных, насколько это возможно.
      Примечание: Используйте SLD (рассеяние плотности длины) калькулятор из меню инструментов для расчета плотности длины рассеяния.
    4. Выберите "Use DQ данные" и "Использовать dì данные" в панели Место. Отрегулировать Q диапазон данных для примерки. Нажмите на 'Fit' для выполнения данных фитингов.

4. Real-космических наблюдений с помощью атомно-силовой микроскопии (AFM)

  1. Подготовка образца на Si-подложках с использованием спинового покрытия
    1. Для измерения AFM, взять 0,1 мл раствора пробы из образца № 1 (1.3.3), и смешать его с 1,9 мл деионизованной воды.
    2. Поместите чистую Si-пластины (12 мм × 12 мм) на спин для нанесения покрытий. Зафиксировать положение пластины с помощью вакуумного патрона.
    3. Установите скорость вращения и продолжительность работы при 1500 оборотов в минуту (оборотов в минуту) и 60 секунд соответственно. Влажный открытую поверхность пластины сразведенного образца. Начало отжима покрытие.
    4. Выключите вакуумный насос, и снимите пластину, покрытую из спина для нанесения покрытий.
  2. измерения AFM
    1. Прикрепите пластину спин-покрытием (4.1.4) на железном диске с помощью двусторонней клейкой ленты углерода.
    2. Доведите образец диск (4.2.1), ближе к краю открытой площади сканера во-первых, и вставьте диск по направлению к центру, пока нижняя поверхность диска полностью не покрывает верхнюю часть сканера.
      Примечание: Во избежание внезапного контакта, так как магнит на верхней части сканера сильно притягивает железный диск. Осторожно установить контакт между двумя краями диска и сканера.
    3. Закрепите головку сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) на сканере, и подключите кабель.
      Примечание: Особая осторожность должна быть оплачена при перемещении головки СЗМ или док (удаление) его (с) сканера. Когда головка отделена от стадии сканера, оставьте нижнюю поверхность головки, обращенной upwaвыстр все время.
    4. Запуск прибора поставляемого программного обеспечения системы управления, и выберите режим врезке в окне "Конфигурация системы".
    5. Поместите кончик кантилевера в центре окна монитора путем регулировки грубой и тонкой ручки оптического микроскопа и путем перемещения x- и y- оптические стадии.
    6. Совместите лазер путем регулировки ручки лазерной центровки на головке СЗМ. Найдите красную лазерную точку на кантилевер примерно, и переместить точку к середине острия кантилевера, прослеживая точку, показанную на мониторе.
      Примечание: Когда лазер правильно выровнен, на окне выравнивания лазера появляется розовое пятно отражения.
    7. Align детектор путем размещения розового отраженное изображение в центре окна юстировочного лазера. Регулировка фотодетектора ручки на головке СЗМ, пока суммарный сигнал квадранта фотодиод (QPD) не больше, чем 2 В, по крайней мере (2.1 - 2.4 V).
    8. Настройтесь кантилевера с помощью AutoTune в Wi Консольные Tuningndow. Запуск AutoTune в диапазоне частот от 0 - 1000 кГц.
    9. Доведите поверхность пластины в фокус микроскопа, регулируя фокус ручки.
    10. Заверните кончик кантилевера медленно по направлению к поверхности пластины с помощью стрелок вверх и вниз в окне "Motor Stage". Остановить движение до того, как кончик прикасается к поверхности образца.
      Примечание: По мере того как приближается наконечник пластины, размытое черное изображение кончика появляется на мониторе, и изображение становится ясно, когда кончик и поверхность пластин контакт. Никогда не позволяйте кончик физически коснуться образца. Она повреждает как образец и инструмент. Прекратить наконечник, когда показывается темное размытое изображение.
    11. Нажмите на кнопку заниматься на панели инструментов.
    12. Выберите размер сканирования (5-10 мкм), номер выборки (512-1,024), и скорость сканирования (0,5-0,6 Гц) во всплывающем окне, чтобы приобрести крупномасштабную изображение в первую очередь.
    13. Запустить сканирование. Постепенно отрегулировать P (пропорциональный коэффициент усиления), I (интегральный коэффициент усиления) и D (по вертикали десгибание) значения, если контраст между частицами и фоном подложки слишком мала, чтобы четко распознавать формы частиц и границы из отсканированного изображения.
      Примечание: Когда новый набор PID значение вводится, процесс сканирования будет автоматически перезапущен.
    14. Если есть какой-либо регион интереса к крупномасштабной изображения, повторно запустить сканирование с соответствующим набором размера сканирования, х-смещение, Y-смещение, и номер образца.
    15. Отрыв зонд после измерения.
      Примечание: Поднимите головку датчика для предотвращения повреждения на кончик кантилевера и образца. Снимите головку зонда, а затем, снимите образец диска.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Полоксамера 407 покрытых SWNT наностержню суспензии были изготовлены с использованием процедуры подготовки образца (рисунок 4), которые можно разделить на два важных процессов; физический процесс адсорбции полоксамера 407 на ОСНТ поверхностей с использованием ультра-ультразвуковую обработку, а также процесс фракционирования индивидуально-стабилизированных однослойных из сгруппированных агрегатов с использованием центрифугирования.

Интенсивностей рассеяния SANS были получены для приготовленного полоксамер 407 / ОНТ / D 2 O образца в температурном интервале 20-60 ° С в отсутствие (фиг.5А) и в присутствии (рисунок 5б) 5 мс. Интенсивность рассеяния с д - 1 поведение в регионах с низким уровнем Q (<0,02 Å - 1) указывают на существование цилиндрических палочковидных частиц в водной среде. Изменяя температуру от 20 ° C до 60° C или путем добавления 5MS добавок, интенсивности рассеяния показывают четкие изменения; сдвиг в сторону более высокой Q в промежуточном ^ -области (0,02-0,05 А - 1) и развитие пика при высокой добротностью (около 0,11 Å - 1) наблюдаются. Эти аналогичные изменения, вызванные контроля температуры и 5MS-дополнение происходят из структурных изменений полоксамера 407-инкапсулирования слоя на однослойных. Как показано на фиг.6A-6D, сердечник CNT / гидрофобный внутренняя оболочка / гидратированных полоксамер 407 слой испытывает структурное превращение из ОСНТ инкапсулированный сферических мицелл полоксамера 407 при комнатной температуре к ОСНТ , заключенного в капсулу компактного цилиндрического слоя полоксамера 407 в более высокая температура. Структурные изменения обратима при изменении температуры независимо от существования 5MS добавок; размер гидратированного полимера сгустков был обратимым контролируется в диапазоне температур от 20 ° С до 60 ° С. Во время этой улuctural изменение слоя полоксамер 407, сферический полоксамер 407 мицеллы с радиусом вращения 45 Å, который состоит из нескольких полоксамера 407 цепей, становится множество одноцепочечных сгустков, которые окружают ядро ​​ОНТ более компактно с радиусом вращения 30 Å.

Структурные изменения на обоих контроля температуры и ароматических добавок объяснима вариациями межмолекулярных взаимодействий между полимеров, воды и однослойных. Увеличение гидрофобности РРО и ПЭО блоков с увеличением температуры вызывает более сильное взаимодействие адсорбированных полимеров с основными ОНТ поверхностями , чем с водой. 21 В результате, адсорбированные полимеры образуют более компактный инкапсулирования слой при высокой температуре , чтобы более эффективно покрывать гидрофобную сердцевину и уменьшить межфазной свободной энергии. Эта тенденция может быть более повышен в присутствии 5 мс, из-за взаимодействия между преимущественной ОНТ и бензолекольцо 5мс, а также сильной склонности 5MS связываться с полоксамер 407. 21,22 Особенно, внутренняя толщина корпуса (6В), который был измерен , чтобы быть приблизительно 3 Близкий к плоскому расстояния между 5MS молекул и ОСНТ поверхностями , 21 находится в хорошем согласии с предсказанием , что добавленные 5MS предпочитают занимать площадь поверхности ОНТ и обеспечивают удобный интерфейс для полимеров.

В качестве дополнительного расследования к изучению SANS, наблюдались полоксамер 407 / SWNT наностержней в реальном пространстве с использованием АСМ. Фигуры 7A и 7B выстукиваем режим AFM изображения полоксамера 407 / ОСНТ наностержней , которые были спин-наносился на Si-подложке. Хотя эти AFM изображения показывают только высушенный морфологию наностержней без воды, они свидетельствуют о де-пакетирования и дисперсии ОСНТ, а также распределение длины наностержней.

Keep-together.within-страница = "1"> Рисунок 1
Рисунок 1. Снимок процесса стабилизации для ультразвуковой обработки ОНТ. Образец трубки помещают в водяную баню с наконечником , смоченным в. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

фигура 2
Рисунок 2. Держатель алюминиевый банджо ячейки для эксперимента EQ-SANS на SNS. (A) разобранном части , включая (I) банджо клеток (II) распорок, и (III) держателя. (B) в собранном виде детали. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

3 "SRC =" / файлы / ftp_upload / 53969 / 53969fig3.jpg "/>
Рисунок 3. Стандартный EQ-SANS эксперимента среды. (A) Образец стенда, и (Б) контроль программного обеспечения на линии луча. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 4
Рисунок 4. Упрощенная процедура подготовки проб для полоксамера 407 / ОНТ (образец # 1) и полоксамер 407 / ОНТ / 5MS (образец # 2) суспензии. Массовое соотношение между однослойных и полоксамера 407 в этих конечных суспензий измеряли с помощью термогравиметрического анализа (ТГА ) после лиофилизации (*). (Эта цифра была изменена с разрешения исх. 21. Copyright 2015, American Chemical Society.)к "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 5
Рисунок 5. SANS света , измеренная в диапазоне температур от 20 ° C до 60 ° C. (A) полоксамера 407 / ОНТ / D 2 O образца. (B) полоксамер 407 / ОНТ / 5MS / D 2 O образца. Сплошные линии кривые, полученные путем подгонки данных SANS с использованием модифицированного / Shell / модель цепи ядра. Д - 1 поведение в регионах с низким уровнем д около 0,01 Å - 1 указывает на наличие палочковидных частиц в суспензии. Кривые сдвинуты для ясности. (Эта цифра была изменена с разрешения реф. 21. Copyright 2015, American Chemical Society) . Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этого FIGUчисло рейнольдса

Рисунок 6
Рисунок 6. Подробные структуры инкапсулирования слоев из пригодном анализа SANS модели. (А) Радиус вращения (R G) полоксамера 407 цепи блобов и (В) , толщина гидрофобных внутренних слоев оболочки (T 1) на ОСНТ поверхностях в отсутствии (алмаз) и в присутствии (квадрат) 5-Methylsalicylic кислоты (5 мс) в диапазоне температур от 20 ° C до 60 ° C. R г был обратимо изменен путем регулирования температуры с помощью нагрева (заполняется маркером) и охлаждения (заполненный маркер с крестом внутри) процессов независимо от существования 5мс. (CD) Принципиальные схемы поперечного сечения предложено из анализа SANS для полоксамера 407 / ОСНТ наностержней при комнатной температуре (вверху) и его структурных изменений при повышении температуры или добавления добавок (низ). (Эта цифра гаs была изменена с разрешения исх. 21. Copyright 2015, American Chemical Society) . Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 7
Рисунок 7. Касание режим АСМ изображения спин-покрытием полоксамер 407 / ОСНТ наностержней на Si-подложке. (A) Изображение высота канала предоставляет информацию по толщине Z-направленной. (B) постукивая амплитуда канала изображения представляет четкие границы осажденных наночастиц. Шкала бар: 1 мкм. (Эта цифра была изменена с разрешения ссылок. 21. Copyright 2015, American Chemical Society) . Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

SANS и измерения методом АСМ показали, что ОСНТ были успешно де сгруппирована и индивидуально диспергируют в водном растворе с использованием триблок-сополимера полоксамер 407. В этом способе приготовления образца, ультра-ультразвуковую обработку и центрифугирование процессы являются критические шаги определения характеристик конечной суспензии. Сильное взаимодействие между ОСНТ, который заставляет непокрытых ОСНТ связывать вместе в растворе, необходимо преодолеть для стабилизации отдельных ОСНТ с блок-сополимеров. Обеспечение достаточного количества энергии для правильно длительного времени позволяет полимеры преодолеть энергетические барьеры и стабилизировать ОСНТ успешно. Тем не менее, это слишком сложно, чтобы удалить все ОНТ расслоения в суспензии и, таким образом, процесс фракционирования также имеет решающее значение для получения чистоты и качества образцов высокие. Оптимизация в силе озвучивания, скорость центрифугирования, и объем собирающего супернатанта требуется, если какие-либо улучшения в образцеСкорость чистота и выход необходим.

С помощью этого метода, термообратимый НСТ / полимерные наночастицы различных размеров могут быть изготовлены путем изменения молекулярного веса триблок-сополимера. Было предсказано , что стабилизация углеродных нанотрубок с использованием амфифильных полиэфирных блок - сополимеров , показывает размер селективность так , что углеродные нанотрубки с определенным диаметром может быть селективно солюбилизации. 25 В данной работе анализ МУРН показывает , что ядро ОНТ в синтезированных наностержней имеет диаметр около 7,2 Å в среднем. Из этого следует , что полоксамер 407 может даже растворять ОСНТ с относительно малым диаметром около 7-8 Å среди HiPCo ( под высоким давлением монооксида углерода) однослойных, которые , как известно , имеют диаметр 7-14 Å. 26 Таким образом, рациональный выбор молекулярная масса и / массовое соотношение РРО ПЭО в полимерах ПЭО-ППО-ПЭО позволяет исследователям не только использовать либо с одинарными стенками или нескольких углеродных нанотрубок во вниманиеменьше их диаметра, но и по размеру выборочно изготовления полимерно-CNT гибридные наностержней с помощью этой стратегии.

Хотя различные ПЭО-ППО-ПЭО с полимерным покрытием НКТ наностержни, могут быть получены с помощью такой же процедуры подготовки, методы определения характеристик детальной структуры в реальном пространстве весьма ограничены. Обычно используемые оптические приборы микроскопии не подходят из-за очень малого размера частиц. Электронная микроскопия (ЭМ) и AFM методы также имеют ограничения. Выпаривание растворителя требуется в сухих ЭМ методов и AFM предотвращает характеристику на месте и может привести к изменению морфологии, и температура закалки в крио-ЭМ предотвращает наблюдение в режиме реального времени с контролем температуры. Таким образом, структурная характеристика в д-пространстве с использованием методов малоуглового рассеяния имеет важное значение в этой системе, и это также более мощным, если любое другое наблюдение в реальном пространстве может быть предусмотрено в качестве дополнительного подхода.

21

Благодаря этой работе показано, что синтезированные гибридные наночастицы проявляют чувствительный в зависимости от температуры реакции их структуры капсулирования. Эти системы представляют собой интересную модель для смарт-функциональных блоков, которые самоорганизуются в высшие упорядоченных наноструктур и чьи внутри- и между частицами структуры обратимо контролируется как реакция на внешние раздражители. В то время как техника, изложенная поддается производить упорядоченные, самоорганизующихся систем, все еще существуют проблемы, которые необходимо преодолеть, прежде чем они могут быть использованы в устройствах. Например, после обработки ультразвуком НКТ являются неоднородными по длине предельного полного трехмерного порядка. Тем не менее, удачная конструкция изготовления формы с перестраиваемой нано-строительные блоки обеспечивают перспективные возможности в направлениисамоорганизующиеся умные функциональные материалы.

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

Химия выпуск 112 углеродные нанотрубки функционализации углеродных нанотрубок блок-сополимеров самосборки малоуглового рассеяния нейтронов термообратимой
Функционализация одностенных углеродных нанотрубок с Thermo-обратимых блоксополимеров и характеристика малоуглового рассеяния нейтронов
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