Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Funktionalisering af Single-walled kulstofnanorør med Thermo-vendbare blokcopolymerer og karakterisering af Small-angle Neutron Scattering

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

Carbon nanorør (CNTs) er hule cylindriske nanopartikler dannet ved at rulle et mikrometer-skala grafit ark i et nanorør. På grund af deres ekstraordinære mekaniske, termiske og elektriske egenskaber, har CNTs blevet grundigt undersøgt som en ny kandidat til funktionelle nanopartikler i terapeutiske og bio-sensing applikationer samt nano-fyldstoffer i selvsamlede nanocomposite materialer. 1-3 Men deres dårlig opløselighed og stærk præference mod at gøre bundter i almindeligt anvendte organiske og vandige opløsningsmidler hindrer nem og miljøvenlig behandling samt fremskridt i biologiske anvendelser. Derfor er en række funktionalisering metoder, såsom ultra-sonikering, kemisk overflademodifikation, og ikke-kovalent funktionalisering ved hjælp overfladeaktive midler og blokcopolymerer, 4-9 er blevet udviklet til at ændre CNT overflader og forbedre deres dispergerbarhed i en lang række opløsningsmidler. Ikke-kovalent functionalization metoder baseret på fysiske overfladebehandlinger navnlig anses for at være en lovende og robust strategi, fordi enhver overflade-modifikation induceret suppression i iboende CNT egenskaber kan minimeres. 10 Til dato har der været talrige bestræbelser på at forbedre dispersionen effektivitet af ikke-kovalente funktionalisering metoder ved anvendelse af forskellige typer af dispergerende midler, herunder basale overfladeaktive midler (fx SDS, CTAB, NaDDBS), 7,11 amfifile blokcopolymerer, 8 biomaterialer (f.eks DNA), 12,13 og syntetiske funktionelle polymerer (f.eks konjugeret polymer, aromatisk polymer). 14,15

PEO-PPO-PEO-polymerer, en slags triblokcopolymer bestående af to hydrofile poly (ethylenoxid) (PEO) kæder i begge ender kovalent bundet til en hydrofob poly (propylenoxid) (PPO) kæde i centrum, kan forlænge den potentielle anvendelse af ikke-kovalent funktionaliserede CNTs jegN vandig opløsning. Disse polymerer giver grænsefladen, hvilket er venligt ikke kun for CNT overflader, men også til vandige medier og andre polymermatricer og udviser enorm biokompatibilitet skyldes den minimal toksicitet af PEO-kæder. Dette letter lettere forarbejdning i en lang række dispergere miljøer samt udnyttelsen af polymerovertrukne CNTs i biomedicinske anvendelser. 12,16-17 Desuden rig termodynamiske fase opførsel af disse polymerer baseret på deres følsomme reaktioner på eksterne stimuli muliggør fabrikation af de smarte blokcopolymer-CNT hybrid nanostrukturer, hvor intra- og inter-partikel strukturer kan reversibelt og præcist styrede. 18-21 Her præsenterer vi en protokol til fremstilling af CNT-baserede hybrid nanopartikler med en justerbar indkapsling lag af PEO105-PPO70-PEO105 (poloxamer 407). Den resulterende struktur er karakteriseret ved små-vinkel neutronspredning (SANS). Dette arbejde forventes at Introduke begrebet smarte funktionel byggesten og hjælpe ikke-specialister nemt forberede blokcopolymer-funktionaliserede CNT suspensioner og brug SANS for detaljeret karakterisering på Oak Ridge National Laboratory.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Bemærk: Denne protokol kræver særlig omhu i håndteringen af ​​nanomaterialer. As-købt single-walled carbon nanorør (SWNT) eksisterer i form af fint pulver og derfor bør de betragtes som nano-farligt materiale før sprede dem i vandige opløsninger. Brug venligst passende sikkerhedsudstyr beskrevet i de sikkerhedsdatablade (MSDS).

1. Udarbejdelse af Poloxamer 407 / SWNT Vandige opslæmninger

Bemærk: Fortsæt med alle procedurerne for prøveforberedelse ved en lavere temperatur end den kritiske micelledannelse temperatur (CMT) af blokcopolymerer brugt. Poloxameren 407 / SWNT prøver blev fremstillet ved 20 ° C, hvilket er under CMT af poloxamer 407 (30 ° C). 21

  1. Fremstilling af Poloxamer 407 vandige opløsninger (0,25% vægt / vægt)
    1. Opløses fuldstændigt 0,175 g poloxamer 407 pulver i 70 g D 2 O.
      Bemærk: D2O anvendes til SANSmålinger. 70 g D2O er ca. 63,2 ml ved stuetemperatur. Til andre formål, er H2O anbefales til brug.
  2. Fremstilling af rå poloxamer 407 / SWNT suspensioner
    1. Tilføj 0,01 g SWNT pulver til to 50 ml koniske centrifugerør (rør 1 og rør 2) separat.
    2. Tilsættes 31,6 ml af poloxamer 407 opløsning (1.1.1), ind i røret 1 og 31,6 ml af den resterende opløsning ind i røret 2.
    3. Bland suspensionerne i røret 1 og 2 ved vortex-blanding i 5-10 min.
    4. Placer røret 1 i et vandbad. Fastgør røret position forsvarligt. (Figur 1) Dyp rør, indtil luftaffjedring grænseflade når overfladen af vandet i badet.
    5. Dyp spidsen af ​​en ultrasonikator i suspensionen af ​​røret 1. Øge sonication effekt gradvist fra 0% i det mindste indtil SWNT deponeret ved bunden af ​​røret begynder rystende og spredning på grund af ultralyd opformeret f rom ultralydsapparat spids. Behandl suspensionen med ultralyd i 60 minutter ved 20 ° C, medens suspensionen temperaturen holdes under 25 ° C.
      Bemærk: Du må ikke sætte spidsen dybere end 1 cm i suspensionen. Hold suspensionen temperatur under 25 ° C, enten ved at styre temperaturen af ​​vandet reservoir eller ved genpåfyldning badet korrekt.
    6. Gentag trin 1.2.4 og 1.2.5 for røret 2.
  3. Fremstilling af Poloxamer 407 / SWNT suspensioner i fravær og nærvær af 5-methylsalicylsyre
    1. Centrifuger de rå suspensioner i rør 1 og 2 på 9800 × g i 2 timer ved 20 ° C.
    2. Flyt 15 ml supernatanterne fra hvert rør til et nyt rør, separat.
    3. Opløs 0,015 g 5-methylsalicylsyre (5MS) i supernatanten taget fra røret 2, og mærke denne blanding som prøve # 2. Mærk den anden supernatant fra røret 1 som prøve # 1.
e "> 2. Udvidet Q-range Lille-vinkel neutronspredning (EQ-SANS) Målinger

Bemærk: For at arbejde på beamlines af Spallation Neutron Source (SNS), er en accepteret beamtime forslag kræves. Radiologisk sikkerhedsuddannelse og andre instrumenter særlig uddannelse er også påkrævet på forhånd. Adgang og uddannelse detaljer leveres af Brugeren Office SNS og kan findes på neutrons.ornl.gov.

  1. Prøve lastning
    1. Belastning 0,3 ml af prøve # 1 af til en amorf kvarts banjo celle og prøve # 2 i en anden banjo celle (Figur 2A-i). Sæt låg på de to celler og forsegle dem ved at vikle tape sikkert rundt lågene.
    2. Placer en af de forseglede celler mellem afstandsstykker (Figur 2A-II) for en aluminium celleholder (Figur 2A-iii), og samle aluminium banjo celleholder (figur 2B) den. Saml den anden celle med et andet sæt af banjo celleholder på samme måde.
    3. Læg de forsamlede celler i forskellige sample holdninger EQ-SANS prøve padle (figur 3A). Lav en liste over prøven positioner af pagaj.
  2. Målinger
    1. Indstil konfigurationer for SANS målinger i et script ved hjælp af et instrument videnskabsmand, med henvisning til det givne eksempel script.
      Bemærk: Et eksempel på scriptet anvendes under de faktiske SANS målinger er tilvejebragt i det supplerende materiale med kort kommentar. Dette eksempel er specielt designet til SANS målinger af to prøver (prøve # 1 og # 2) med en bølgelængdebånd på 9,1 Å <λ <13.2 Å på den faste 1,3 m prøve-til-detektor afstand med en 10 mm prøve åbning og en 30 mm stråle stop. Eksemplet script kan bruges uden ændringer for prøven # 1 og # 2.
      1. For at dække et q-området 0,01 - 0,4 A, - 1, vælge en bølgelængde bånd på 9,1 Å <λ <13.2 Å og en prøve-til-detektor afstand på 1,3 m ved at indtaste 1300 i detektoren position og 9 ind bølgelængde som vist i eksemplet script.
      2. At anvende en 10 mm prøve åbning og en 30 mm stråle stop, indstilles XY positioner af strålen stopper og åbninger i scriptet.
      3. Indstil prøven koordinater og de tilsvarende navne for både transmissions- og prøve spredningsmålinger.
      4. Gem scriptet i mappen, der svarer til strålen tid.
    2. Udfør script til at udføre målinger ved at klikke på "Run Script 'i højre side af PyDAS kontrol vindue (figur 3B) og indlæse den gemte script.
    3. Informer instrumentet team af færdiggørelsen af ​​målinger efter eksperimentet er færdig.

3. SANS data Reduktion og Analyse

  1. SANS data proces reduktion
    1. Til reduktion af den målte dataBrug MantidPlot 23-24 software leveres på analysis.sns.gov, med hjælp af instrumentet holdet.
      Bemærk: Detaljerede instruktioner til at køre MantidPlot software kan findes på analysis.sns.gov webside.
    2. Inden MantidPlot Åbn EQSANS reduktion interface fra menuen grænseflader. (Interface> SANS> ORNL SANS). Input alle nødvendige oplysninger til reduktion af data proces.
      Bemærk: De fleste af vigtig information i reduktionen Databehandlingen leveres af instrumentet holdet. Til orientering vises relevante skærmbilleder også i de supplerende materialer.
    3. Input alle nødvendige oplysninger i fanen 'Reduction Indstillinger'.
      1. Input den absolutte skala faktor fra standard prøve måling. Hent den absolutte intensitet fra målingen af en godt karakteriseret standard prøve, hvis spredning intensitet er kendt (I (0) = 450 cm - 1) og passer med en Debye-Buche spredning model. Input den mørke aktuelle filnavn, som er tilvejebragt af instrumentet holdet.
      2. Tjek indstillinger for 'rumvinkel korrektion', 'Q opløsning', 'brug konfigurationsfil "," Korrekt TOF "og" bruger maske fra konfigurationsfil som anvendes «.
      3. Indstil prøveapertur diameter til 10 mm. Sæt antal Q spande til 200 med en lineær Q Binning ordningen. Input maske filnavn, der er også leveret af instrumentets hold.
    4. Input alle nødvendige oplysninger for at færdiggøre fanen 'Detektor'.
      1. Check 'Brug stråle finderen' (med fit direkte stråle option) og "udføre følsomhed korrektion«. Find en stråle center "datafil 'ved hjælp af løb antallet af den tomme bjælke måling.
      2. Input følsomhed datafil navn, som er tilvejebragt af instrumentet videnskabsmand den. Indstil den tilladte følsomhed til 0,5 og 2,5 for min og max, hhv. Tjek &# 39; Brug prøve stråle center «.
    5. Input alle nødvendige oplysninger til fanen "Data".
      1. Indtast prøve spredning køre nummer på 'Scattering datafil'. Angiv prøven tykkelse i cm. Vælg 'Beregn transmission «.
      2. Indtast prøve transmission køre nummer på 'Sample direkte stråle datafil'. Indtast tom stråle køre nummer på 'Tom direkte stråle datafil'.
      3. Check 'Baggrund datafil "og indtast baggrund spredning run nummer. Vælg 'Beregn transmission «. Indtast baggrund transmission køre nummer på 'Sample direkte stråle datafil'.
        Bemærk: I dette tilfælde den tomme banjo celle spredning datafil er baggrunden spredning.
      4. Indtast tom stråle køre nummer på 'Tom direkte stråle datafil'. Typisk, dette tal er den samme som den tomme stråle run nummer (3.1.5.2).
    6. Klik på 'Reducer' til at udføredata reduktion.
      Bemærk: Udgangen er skrevet i den udpegede mappe som ##### _ Iq.txt hvor ##### er flugt antallet af prøvens spredning fil. ASCII-format bruges til datafilerne.
  2. Model fitting analyse
    Bemærk: SasView er en lille vinkel spredning analyse software pakke, som oprindeligt blev udviklet som en del af NSF DANSE projektet, og er i øjeblikket forvaltes af et internationalt samarbejde af faciliteter (http://www.sasview.org/). Den software-pakke kan downloades på http://sourceforge.net/projects/sasview/files/.
    1. Kør SasView, og indlæse en datafil ved at klikke på "Load data 'fra' Data Explorer 'vindue.
    2. Klik på 'Send til' med 'Fitting' muligheden, og kontroller data plot på popup-vinduet.
    3. Vælg I "Fit Panel» "Former" under model kategori, og vælg "CoreShellCylinderModel" fra modellen dueslaget.
      4. <li> Juster parameterværdier, så modellen kurven er så tæt på kurven data som muligt.
      Bemærk: Brug SLD (spredning længde tæthed) regnemaskine fra menuen Tool til at beregne sprednings- længde tætheder.
    4. Vælg "Brug dQ data" og "Brug dI data" i Fitting panel. Juster Q vifte af dataene for montering. Klik på 'Fit' at udføre data montering.

4. Real-plads Observation Brug Atomic force mikroskopi (AFM)

  1. Prøveforberedelse på Si-skiver ved hjælp af spin-coating
    1. For AFM målinger, tage 0,1 ml prøveopløsning fra Sample # 1 (1.3.3), og bland det med 1,9 ml deioniseret vand.
    2. Placer en ren Si-wafer (12 mm × 12 mm) på et spin coater. Fastgør wafer position ved hjælp af et vakuum borepatron.
    3. Indstil omdrejningshastigheden og driftstid på 1.500 omdrejninger per minut (rpm) og 60 sek hhv. Fugt blottede overflade af skiven med denfortyndet prøve. Start spincoating.
    4. Sluk vakuumpumpen, og fjern det coatede wafer fra spin coater.
  2. AFM målinger
    1. Fastgør spin-belagt wafer (4.1.4) på ​​en jern disk ved hjælp af en dobbeltsidet klæbende carbon tape.
    2. Bringe prøven disk (4.2.1) tættere på kanten af ​​den belyste flade på scanneren først, og skub disken mod midten, indtil den nederste overflade af skiven fuldstændig dækker toppen af ​​scanneren.
      Bemærk: Undgå pludselig kontakt, fordi en magnet på toppen af ​​scanneren stærkt tiltrækker jern disk. Forsigtigt opnår kontakt mellem to kanter af skiven og scanneren.
    3. Monter scanning probe mikroskop (SPM) hoved på scanneren, og tilslut kablet.
      Bemærk: Ekstrem forsigtighed skal betales, mens du flytter SPM hovedet eller docking (fjerner) den til (fra) scanneren. Når hovedet adskilles fra scanneren fase, holde den nedre overflade af hovedet vendende upwards hele tiden.
    4. Kør instrumentet leveret kontrol software, og vælg aflytning mode i "System Configuration" vindue.
    5. Anbring cantilever spids i midten af ​​vinduet monitoren ved at justere de grove og fine knopper af det optiske mikroskop og ved at bevæge x- og y- optiske stadier.
    6. Ret laser ved at justere laser justering drejeknapper på SPM hovedet. Find den røde laser prik til udliggeren groft, og flyt prik til midten af ​​cantilever spids ved at spore prik vist på skærmen.
      Bemærk: Når laseren er korrekt justeret, vises den lyserøde refleksion plet på laser alignment vinduet.
    7. Juster detektoren ved at placere den lyserøde refleksioner billedet midt af laseren alignment vinduet. Justering fotodetektorceller knopper på SPM hoved, indtil den kvadrant fotodiode (QPD) signal sum er større end 2 V mindst (2,1 - 2.4 V).
    8. Tune cantilever hjælp AutoTune i Cantilever Tuning window. Kør Autoindstil i et frekvensområde på 0 - 1.000 kHz.
    9. Bring wafer overflade i fokus af mikroskopet ved at justere fokus drejeknapper.
    10. Kør cantilever spidsen langsomt mod wafer overflade ved hjælp af op og ned pile i "Motor Stage 'vindue. Stoppe bevægelsen før spidsen rører prøveoverfladen.
      Bemærk: Da spidsen nærmer sig wafer, vises sløret sort billede af spidsen på skærmen, og billedet bliver klart, når spidsen og wafer overflade kontakt. Lad aldrig spidsen fysisk røre prøven. Det skader både prøve og instrument. Stop spidsen, når den mørke slørede billede vises.
    11. Klik på knappen engagere på værktøjslinjen.
    12. Vælg en scanning størrelse (5-10 um), en sampling nummer (512-1,024), og en scanning sats (0,5-0,6 Hz) i pop op-vinduet, for at erhverve en storstilet billede først.
    13. Start scanning. Gradvist justere P (proportional forstærkning), I (integreret gevinst), og D (lodret dereflektionsegenskaber) værdier, hvis kontrasten mellem partiklerne og substratet baggrunden er for lav til klart at erkende partikel former og grænser fra det scannede billede.
      Bemærk: Når en ny PID værdi sæt indtastes, vil scanningen automatisk genstartes.
    14. Hvis der er nogen region af interesse i de store billede, re-køre scanningen med en ordentlig sæt scan størrelse, x-offset, y-offset, og antal stikprøver.
    15. Frigør sonden efter måling.
      Bemærk: Hæv sondehovedet at forhindre eventuelle skader på cantilever spids og prøven. Fjern sonden hovedet først, og derefter, tag prøven disk.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Poloxamer 407-coatede SWNT nanorod suspensioner blev fremstillet under anvendelse af prøveforberedelsesproceduren (figur 4), som kan opdeles i to vigtige processer; den fysiske adsorption processen med poloxamer 407 på SWNT overflader ved hjælp ultra-sonikering, og fraktioneringen processen med individuelt stabiliserede SWNTs fra bundtet aggregater ved hjælp af centrifugering.

SANS spredning intensiteter blev opnået for den fremstillede poloxamer 407 / SWNT / D2O prøve i et temperaturområde på 20-60 ° C i fravær (figur 5A) og nærvær (figur 5B) på 5 ms. Spredningen intensiteter med q - 1 opførsel i den lave q regioner (<0,02 Å - 1) angiver eksistensen af cylindriske stavlignende partikler i vandige medier. Ved at ændre temperaturen fra 20 ° C til 60° C eller ved tilsætning 5ms tilsætningsstoffer, spredningen intensiteter viser klare ændringer; et skift til højere q i det mellemliggende q-region (0,02-0,05 Å - 1) og udvikling af en top ved høj q (ca. 0,11 Å - 1) overholdes. Disse analoge ændringer som følge af temperatur-kontrol og 5MS-tillæg stammer fra strukturelle ændringer af poloxamer 407-indkapsling lag på SWNTs. Som opsummeret i figur 6A-6D, CNT kerne / hydrofobt indre skal / hydreret poloxamer 407 lag undergår en strukturændring fra en SWNT indkapslet af sfæriske miceller af poloxamer 407 ved stuetemperatur til en SWNT indkapslet af en kompakt cylindrisk lag af poloxamer 407 på højere temperatur. Den strukturelle ændring var reversibel med varierende temperatur uanset eksistensen af ​​5 ms tilsætningsstoffer; størrelsen af ​​hydratiseret polymer klatter blev reversibelt kontrolleret i et temperaturområde mellem 20 ° C og 60 ° C. Under denne structural ændring af poloxamer 407 lag, den sfæriske poloxamer 407 micel med en inertiradius af 45 Å, som består af flere poloxamer 407 kæder, bliver et sæt af enkeltkædede klatter, som omgiver SWNT kerne mere kompakt med en inertiradius af 30 Å.

Den strukturelle ændring på både temperatur kontrol og aromatiske tilsætningsstoffer kan forklares med variationer i intermolekylære interaktioner mellem polymerer, vand og SWNTs. Stigende hydrofobicitet PPO og PEO blokke med stigende temperatur forårsager stærkere interaktion adsorberede polymerer med SWNT kerneoverflader end med vand. 21 Som et resultat heraf de adsorberede polymerer danner mere kompakt indkapsling lag ved høj temperatur for at dække den hydrofobe kerne mere effektivt og reducere grænsefladeteknik fri energi. Denne tendens kan mere fremmes i nærvær af 5MS, på grund af den præferentielle interaktion mellem SWNT og en benzenring af 5MS samt den stærke tendens 5MS at binde med poloxamer 407. 21,22 Især inderskallen tykkelse (figur 6B), der blev målt til at være ca. 3 Å tæt på den plane afstand mellem 5ms molekyler og SWNT overflader , 21 er i god overensstemmelse med den forudsigelse, at de tilsatte 5MS foretrækker at besætte SWNT overfladeareal og giver en grænseflade til polymererne.

Som en supplerende undersøgelse til SANS studie blev observeret poloxamer 407 / SWNT nanorods i real rummet ved hjælp af en AFM. 7A og 7B er tappe tilstand AFM billeder af poloxamer 407 / SWNT nanorods som var spin-coated på en Si-wafer. Selv om disse AFM billeder viser kun en tørret morfologi af nanorods uden vand, de fremlægge dokumentation for de-bundling og spredning af SWNTs samt fordelingen af ​​nanorods længde.

holde-together.within-side = "1"> figur 1
Figur 1. Snapshot af ultralyd proces til SWNT stabilisering. En prøve rør sættes i et vandbad med spidsen dyppet i. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2. Aluminium banjo celle holder til EQ-SANS eksperimentet ved SNS. (A) afmonterede dele, herunder (i) en banjo celle (ii) afstandsstykker, og (iii) en holder. (B) samlede dele. Klik her for at se en større version af dette tal.

3 "src =" / files / ftp_upload / 53.969 / 53969fig3.jpg "/>
Figur 3. Standard EQ-SANS eksperiment miljøer. (A) Prøve kabine, og (B) kontrol software på bjælken linje. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4. Forenklet prøve procedure forberedelse til Poloxamer 407 / SWNT (prøve # 1) og Poloxamer 407 / SWNT / 5MS (prøve # 2) suspensioner. Masseforholdet mellem SWNT og Poloxamer 407 i disse endelige suspensioner blev målt ved termogravimetrisk analyse (TGA ) efter frysetørring (*). (Dette tal er blevet ændret med tilladelse fra ref. 21. Copyright 2015, American Chemical Society.)k "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5. SANS lysstyrker målt i et temperaturområde fra 20 ° C til 60 ° C. (A) Poloxamer 407 / SWNT / D2O prøve. (B) Poloxamer 407 / SWNT / 5MS / D2O prøve. De fuldt optrukne linier er kurverne opnået ved at tilpasse SANS data via en modificeret kerne / skal / kæde model. Den q - 1 opførsel ved lave q regioner omkring 0,01 Å - 1 angiver eksistensen af stang-lignende partikler i suspensioner. Kurverne er flyttet til klarhed. (Dette tal er blevet ændret med tilladelse fra ref. 21. Copyright 2015, American Chemical Society.) Klik her for at se en større version af denne Figure.

Figur 6
Figur 6. Detaljerede strukturer af indkapslingsprocedurer lag fra en SANS model fit analyse. (A) inertiradius (R g) poloxamer 407 kæde klatter og (B) tykkelsen af hydrofobe indre skal lag (T 1) på SWNT overflader i fravær (diamond) og tilstedeværelse (firkant) 5-methylsalicylsyre (5MS) i et temperaturområde fra 20 ° C til 60 ° C. R g blev reversibelt ændres ved at styre temperaturen via opvarmning (fyldt markør) og afkøling (fyldt markør med et kryds inde) processer, uanset eksistensen af 5MS. (CD) Skematisk tværsnit diagrammer foreslået fra SANS analyse for poloxameren 407 / SWNT nanorods ved stuetemperatur (øverst) og dets strukturelle ændringer med stigende temperatur eller tilsætning af tilsætningsstoffer (nederst). (Dette tal has blevet modificeret med tilladelse fra ref. 21. Copyright 2015, American Chemical Society.) Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 7
Figur 7. Tapping-mode AFM billeder af spin-belagt Poloxamer 407 / SWNT nanorods på Si-wafer. (A) Højden kanal Billedet giver z-retningsbestemt information tykkelse. (B) Den aflytning amplitude kanal billede præsenterer klare grænser for deponerede nanopartikler. Målestok: 1 um. (Dette tal er blevet ændret med tilladelse fra ref. 21. Copyright 2015, American Chemical Society.) Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

SANS og AFM målinger viste, at SWNT succes er blevet de-bundtet og individuelt dispergeret i vandig opløsning under anvendelse af en poloxamer 407 triblokcopolymer. I denne prøve fremstillingsmetode, ultra-sonikering og centrifugeringstrin processer er de kritiske trin fastlæggelse af egenskaber i den endelige suspension. Den stærke samspil mellem SWNT, som tvinger ubestrøget SWNT at samle sammen i opløsning, skal overvindes for at stabilisere de enkelte SWNT med blokcopolymerer. Tilvejebringelse af en tilstrækkelig energi til en korrekt lang tid tillader polymererne at overvinde de energibarrierer og stabilisere SWNT med succes. Ikke desto mindre er det for svært at fjerne alle SWNT bundter i suspension og dermed fraktionering proces er også afgørende for at producere høj renhed og kvalitet prøver. Optimering i sonication effekt, centrifugeringen hastighed og indsamling rumfang supernatant er påkrævet, hvis nogen forbedring i prøvenDer er behov for renhed og udbytte.

Ved anvendelse af denne metode, kan termoreversible CNT / polymer nanopartikler af forskellige størrelser fremstilles ved at variere molekylvægten af ​​triblok-copolymeren. Det er blevet forudsagt, at stabiliseringen af kulstof-nanorør ved hjælp amfifile blokcopolymerer viser størrelse selektivitet, således at carbon-nanorør med en specifik diameter kan selektivt solubiliseres. 25. I dette arbejde, SANS analyse afslører, at SWNT kerne i de syntetiserede nanorods har en diameter på ca. 7,2 Å i gennemsnit. Dette indebærer, at poloxamer 407 selv kunne solubilisere SWNTs med en relativt lille diameter omkring 7-8 Å blandt HiPCo (højtryks-carbonmonoxid) SWNTs, som vides at have en diameter på 7-14 Å. 26 derfor en rationel udvælgelse af molekylvægt og PEO / PPO masseforhold i PEO-PPO-PEO-polymerer giver forskere ikke blot at anvende enten én væg eller multi-walled carbon nanorør henvisningmindre af deres diameter, men også til størrelse-selektivt fremstille polymer-CNT hybrid nanorods via denne strategi.

Selv om en bred vifte af PEO-PPO-PEO polymerovertrukne CNT nanorods kan tilberedes gennem identiske forberedelse procedure, metoder til karakterisering af den detaljerede struktur i det virkelige rum er ret begrænset. Almindeligt anvendte optisk mikroskopi instrumenter ikke er hensigtsmæssigt på grund af den meget lille partikelstørrelse. Elektronmikroskopi (EM) og AFM teknikker har også begrænsninger. Afdampning af opløsningsmiddel kræves i tørre-EM og AFM teknikker forhindrer in situ karakterisering og kan forårsage en morfologi forandring, og temperaturen quenching i cryo-EM forhindrer real-time observation med temperaturkontrol. Således er den strukturelle karakterisering i q-rummet ved hjælp af små-vinkel spredningsteknikker er afgørende i dette system, og det er også mere kraftfuld hvis andre real-space observation kan tilvejebringes som en komplementær tilgang.

21

Gennem dette arbejde er det vist, at de syntetiserede hybrid nanopartikler udviser en følsom temperaturafhængig respons af deres indkapsling struktur. Disse systemer præsentere en interessant model for smarte funktionelle byggesten, som selv samler ind højere bestilt nanostrukturer og hvis intra- og inter-partikel strukturer reversibelt styres som en reaktion på ydre stimuli. Mens den teknik præsenteres egner sig til fremstilling af velordnede, selvsamlede systemer, er der stadig udfordringer, der skal overvindes, før de kan anvendes i indretninger. For eksempel, efter lydbehandling CNT s er ikke ensartede i længden begrænsende fuld tredimensional orden. Ikke desto mindre vellykket design af fabrikation af form-afstemmelige nano-byggesten giver en lovende mulighed i retning afselvsamlede smarte funktionelle 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

Kemi Kulstofnanorør funktionalisering af kulstof-nanorør blokcopolymerer saml-selv små-vinkel neutronspredning termo-reversibel
Funktionalisering af Single-walled kulstofnanorør med Thermo-vendbare blokcopolymerer og karakterisering af Small-angle Neutron Scattering
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