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 av Single-vägg kolnanorör med termoreversibel blocksampolymerer och karakterisering av små vinklar neutronspridning

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

Kolnanorör (CNT) är ihåliga cylindriska nanopartiklar som bildas genom att rulla en mikrometerskala grafit ark i en nanorör. På grund av sina utomordentliga mekaniska, termiska och elektriska egenskaper, har cnts har undersökts som en ny kandidat för funktionella nanopartiklar i terapeutiska och bio-analystillämpningar samt nanofyllmedel i själv sammansatta nanokomposit material. 1-3 Men deras dålig löslighet och stark preferens mot att göra buntar i vanligen använda organiska och vattenhaltiga lösningsmedel hindrar enkel och miljövänlig behandling samt framsteg i biologiska tillämpningar. Därför kan en mängd olika funktionaliseringsmetoder, såsom ultra sonikering, kemisk ytmodifiering, och icke-kovalent funktionalisering genom användning av ytaktiva medel och segmentsampolymerer, 4-9 har utvecklats för att modifiera CNT ytorna och förbättra deras dispergerbarhet i ett brett spektrum av lösningsmedel. Icke-kovalent functionalisering metoder baserade på fysiska ytbehandlingar, i synnerhet, anses vara en lovande och robust strategi, eftersom alla yt-modifiering suppression i inneboende CNT egenskaper kan minimeras. 10 Hittills har det funnits ett stort antal insatser för att förbättra spridningen effektiviteten av icke-kovalenta metoder funktionalise genom användning av olika typer av dispersiva medel, innefattande basiska ytaktiva medel (t.ex. SDS, CTAB, NaDDBS), 7,11 amfifila segmentsampolymerer, 8 biomaterial (t.ex., DNA), 12,13 och syntetiska funktionella polymerer (t.ex., konjugerad polymer, aromatisk polymer). 14,15

PEO-PPO-PEO-polymerer, ett slags trisegmentsampolymer bestående av två hydrofila poly (etylenoxid) (PEO) kedjorna i båda ändar kovalent bunden till en hydrofob poly (propylenoxid) (PPO) -kedja i centrum, kan förlänga den potentiella tillämpning av icke-kovalent funktionalise cnts in vattenhaltig lösning. Dessa polymerer tillhandahåller gränssnittet, som är vänlig att inte bara CNT ytor men också till vattenhaltiga medier och andra polymera matriser och uppvisar enorm biokompatibilitet på grund av den minimala toxiciteten av PEO-kedjor. Detta underlättar lättare bearbetning i ett brett spektrum av dispergering miljöer samt utnyttjandet av polymerbelagda cnts i biomedicinska tillämpningar. 12,16-17 dessutom den rika termodynamiska fasbeteende hos dessa polymerer baserat på deras känsliga reaktioner på yttre stimuli gör det möjligt för tillverkningen av smarta segmentsampolymer-CNT hybridnanostrukturer där inom och mellan partikelstrukturer kan reversibelt och precist kontrollerade. 18-21 Här presenterar vi ett protokoll för tillverkning av CNT-baserade hybridnanopartiklar med en avstämbar inkapslingsskikt PEO105-PPO70-PEO105 (poloxamer 407). Den resulterande strukturen kännetecknas av små vinklar neutronspridning (SANS). Arbetet förväntas inföe begreppet smarta funktionella byggstenar och hjälpa icke-specialister enkelt förbereda segmentsampolymer-funktion CNT suspensioner och använda SANS för detaljundersökningarna vid Oak Ridge National Laboratory.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Obs: Detta protokoll kräver särskild omsorg vid hantering av nanomaterial. As-köpt enstaka väggar kolnanorör (SWNTs) förekommer i form av fint pulver och därmed bör de betraktas som nano farligt material innan dispergering dem i vattenlösningar. Använd lämplig skyddsutrustning som beskrivs i säkerhetsdatabladen (SDB).

1. Framställning av Poloxamer 407 / SWNT vattensuspensioner

Obs: Fortsätt med alla provberedningsförfaranden vid en lägre temperatur än den kritiska micellization temperaturen (CMT) av segmentsampolymererna använde. Poloxamer 407 / SWNT prover framställdes vid 20 ° C, vilket är under CMT poloxamer 407 (30 ° C). 21

  1. Framställning av Poloxamer 407 vattenhaltiga lösningar (0,25% vikt / vikt)
    1. Lös 0,175 g poloxamer 407 pulver i 70 g D 2 O.
      Anmärkning: D2O används för SANmätningar. 70 g D2O är approximativt 63,2 ml vid rumstemperatur. För andra ändamål, är H2O rekommenderas för användning.
  2. Framställning av rå Poloxamer 407 / SWNT suspensioner
    1. Lägg 0,01 g SWNT pulver till två 50 ml koniska centrifugrör (rör 1 och röret 2) separat.
    2. Lägga 31,6 ml av poloxamer 407-lösning (1.1.1), in i röret 1 och 31,6 ml av den återstående lösningen in i röret 2.
    3. Blanda suspension i röret 1 och 2 genom vortex-blandning under 5-10 min.
    4. Placera röret 1 i ett vattenbad. Fäst rörpositionen ordentligt. (Figur 1) Doppa röret tills luftfjädrings gränssnitt når vattenytan i badet.
    5. Doppa spetsen av en ultraljud i suspensionen av röret 1. Öka sonication kraften gradvis från 0% åtminstone tills SWNTs deponeras på botten av röret börjar splittras och sprider sig på grund av ultraljud fortplantas f rom den ultraljudspetsen. Behandla suspensionen med ultraljud under 60 min vid 20 ° C, under det att suspensionen temperaturen hölls under 25 ° C.
      Obs: Placera inte spetsen djupare än 1 cm i suspensionen. Hålla suspensionen temperatur under 25 ° C, antingen genom styrning av temperaturen hos vattenbehållaren eller genom att fylla den badet på lämpligt sätt.
    6. Upprepa steg 1.2.4 och 1.2.5 för röret 2.
  3. Framställning av Poloxamer 407 / SWNT upphävanden i frånvaro och närvaro av 5-metylsalicylsyra
    1. Centrifugera de råa suspensioner i rören 1 och 2 vid 9800 x g under 2 h vid 20 ° C.
    2. Flytta 15 ml av supernatanterna från varje rör till ett nytt rör, separat.
    3. Lös upp 0,015 g av 5-metylsalicylsyra (5MS) i supernatanten tas från röret 2, och märka denna blandning som Prov # 2. Märka den andra supernatanten från röret 1 som Prov # 1.
e "> 2. Förlängd Q-range små vinklar neutronspridning (EQ-SANS) Mätningar

Obs: Att arbeta på strålrör av Spallation Neutron Source (SNS) är en accepterad stråltiden förslag krävs. Radiologisk säkerhetsutbildning och andra instrument särskild utbildning krävs också i förväg. Tillgång och detaljer utbildning tillhandahålls av SNS användar Office och kan hittas på neutrons.ornl.gov.

  1. provladdning
    1. Belastning 0,3 ml prov # 1 av i en amorf kvarts banjo cell och prov # 2 i en annan banjo cell (Figur 2A-i). Sätt lock på de två cellerna och försegla dem genom att linda tejp säkert runt locken.
    2. Placera en av de förseglade cellerna mellan distansorgan (figur 2A-II) för en aluminiumcellhållaren (Figur 2A-iii), och montera aluminium banjo cellhållaren (Figur 2B). Montera den andra cellen med en annan uppsättning banjo cellhållare på samma sätt.
    3. Ladda sammansatta celler i olika provlägen i EQ-SANS prov paddel (figur 3A). För att listan över prov positionerna för paddeln.
  2. mätningar
    1. Ställ in konfigurationer för SANS mätningar i ett skript med hjälp av ett instrument forskare, med hänvisning till det givna exemplet skriptet.
      Notera: Ett exempel på skript som används under själva mätningarna SANS finns i kompletterande material med kort kommentar. Detta exempel är speciellt utformad för SANS mätningar av två prover (prov # 1 och # 2) med hjälp av ett våglängdsband av 9,1 Å <λ <13,2 Å på den fasta 1,3 m prov till detektor avstånd med en 10 mm provöppning och en 30 mm strålstopp. Den exempelskript kan användas utan modifikation prov nummer 1 och # 2.
      1. För att täcka en Q-intervallet 0,01 - 0,4 A - 1, välja våglängdsband av 9,1 Å <λ <13,2 Å och ett prov till detektoravstånd av 1,3 m genom att mata in 1300 till detektorläge och 9 i våglängd som visas i exemplet skriptet.
      2. Om du vill använda en 10 mm provöppning och en 30 mm balk stopp, ställa xy positioner av balken slutar och öppningar i skriptet.
      3. Ställ prov positioner samt motsvarande namn för både sändning och provspridningsmätningar.
      4. Spara skriptet i mappen som motsvarar balken tid.
    2. Kör skriptet att utföra mätningar genom att klicka på "Kör skript" på höger sida av PyDAS kontrollfönster (figur 3B) och laddar sparade skriptet.
    3. Informera instrument team av slutförandet av mätningar efter experimentet är klar.

3. SANS Data Reduction och analys

  1. SANS Data reduktionsprocessen
    1. För minskning av uppmätta dataAnvänd MantidPlot 23-24 programvara som tillhandahålls på analysis.sns.gov, med hjälp av instrumentet laget.
      Obs: Detaljerade instruktioner för att köra MantidPlot programvara kan hittas på analysis.sns.gov hemsida.
    2. Inom MantidPlot öppnar EQSANS minskning gränssnittet från gränssnitt menyn. (Interface> SANS> ORNL SANS). In all nödvändig information för att minska av data.
      Notera: De flesta av viktig information i datareduktionsprocessen tillhandahålls av instrumentet laget. För mer information, är relevanta skärm också i kompletterande material.
    3. Ingång all nödvändig information i fliken "minskningsalternativ.
      1. Mata in absoluta skalfaktorn från standardprovmätning. Erhålla den absoluta intensiteten från mätning av en väl karakteriserad standardprov vars spridningsintensiteten är känd (I (0) = 450 cm - 1) och montera med en Debye-Buche spridningsmodell. Ingångsmörkströmmen filnamnet, som tillhandahålls av instrumentet laget.
      2. Kontrollera alternativ för "rymdvinkel korrigering", "Q upplösning", "användning konfigurationsfil", "Rätt TOF" och "användar mask från konfigurationsfilen som tillämpas".
      3. Ställ prov diameter öppning till 10 mm. Ange antal Q fack till 200 med en linjär Q binning system. Ingångs filnamnet masken, som också tillhandahålls av instrumentet laget.
    4. In all nödvändig information för att slutföra fliken Detector ".
      1. Kontrollera "Använd beam finder" (med passning direkt stråle tillval) och "utföra känslighetskorrigering". Hitta en stråle center "datafil" med körningen antalet tomma strålen mätningen.
      2. Ingångs filnamnet känslighetsdata som tillhandahålls av instrumentet vetenskapsman. Ställ den tillåtna känslighetsområde till 0,5 och 2,5 för min och max, respektive. Kolla upp &# 39; Använd provstrålens mitt.
    5. In all nödvändig information för fliken "Data".
      1. Ange provspridnings löpnummer på "Scattering datafil. Ange provets tjocklek i cm. Välj "Beräkna transmission".
      2. Ange provöverförings löpnummer på "Sample direkt stråle datafil. Ange tom balk löpnummer på "Empty direkt stråle datafil.
      3. Kontrollera "Bakgrund datafil" och ange bakgrund spridnings löpnummer. Välj "Beräkna transmission". Ange bakgrund transmissions löpnummer på "Sample direkt stråle datafil.
        Obs: I det här fallet är den tomma banjo cellspridnings datafil bakgrundsspridning.
      4. Ange tom balk löpnummer på "Empty direkt stråle datafil. Normalt är detta nummer samma som den tomma strålen löpnummer (3.1.5.2).
    6. Klicka på "Minska" för att verkställaden datareduktion.
      Obs: Utgången är skriven i den angivna mappen som ##### _ Iq.txt där ##### är körningen antalet provspridningsfilen. ASCII-format används för datafilerna.
  2. Modellanpassning analys
    Obs: SasView är en liten vinkel scattering analys programpaket, som ursprungligen utvecklades som en del av NSF DANSE projektet och är för närvarande förvaltas av ett internationellt samarbete av anläggningar (http://www.sasview.org/). Mjukvarupaketet kan laddas ner på http://sourceforge.net/projects/sasview/files/.
    1. Kör SasView, och lägg i en datafil genom att klicka på "Load Data" från "Data Explorer" fönster.
    2. Klicka på "Skicka till" med "Anpassning" alternativet, och kontrollera data tomt på popup-fönster.
    3. I "Fit Panel", välj "Former" under modell kategori och välj "CoreShellCylinderModel" från modellen drop box.
      4. <li> Justera parametervärdena, så att modellen kurvan är så nära kurvan uppgifter som möjligt.
      Obs: Använd SLD (spridningslängd densitet) kalkylator från menyn Verktyg för att beräkna spridningslängd densiteter.
    4. Välj "Använd dQ data" och "Använd dl Data" i provpanelen. Justera Q utbud av data för montering. Klicka på "Anpassa" för att utföra uppgifter montering.

4. Real-space Observation Använda atomkraftsmikroskopi (AFM)

  1. Provberedning på Si-wafers som använder spinnbeläggning
    1. För AFM mätningar, ta 0,1 ml provlösning från Prov # 1 (1.3.3), och blanda det med 1,9 ml avjoniserat vatten.
    2. Placera en ren Si-wafer (12 mm x 12 mm) på en spinnbeläggare. Fäst skivan position med en vakuumchuck.
    3. Ställa in rotationshastighet och körtiden vid 1500 varv per minut (rpm) och 60 sek, respektive. Blöt den exponerade ytan av skivan medutspädda provet. Starta spinnbeläggning.
    4. Stäng av vakuumpumpen och ta bort den belagda skivan från spinnbeläggare.
  2. AFM mätningar
    1. Fäst spin-belagda skivan (4.1.4) på ​​en järn skiva med hjälp av en dubbelsidigt vidhäftande kol tejp.
    2. Ta provskivan (4.2.1) närmare kanten av den exponerade ytan av skannern första och skjut skivan mot mitten tills den nedre ytan av skivan helt täcker upp skannern.
      Obs: Undvik plötslig kontakt eftersom en magnet ovanpå skannern drar starkt järnskivan. gör försiktigt en kontakt mellan två kanter på disken och skannern.
    3. Montera svepsondmikroskop (SPM) huvudet på skannern och koppla in kabeln.
      Obs: Extrem försiktighet måste betalas medan du flyttar SPM huvudet eller dockning (ta bort) till (från) skannern. När huvudet är fristående från skanner skede hålla bottenytan på huvudet vänd upwards hela tiden.
    4. Kör instrument medföljande styrprogram, och välj tappläget i "Systemkonfiguration" fönster.
    5. Placera fribärande spets i centrum av monitorfönstret genom att justera de grova och fina knoppar hos den optiska mikroskop och genom att flytta x- och y- optiska steg.
    6. Rikta lasern genom att justera laserinriktnings vreden på SPM huvudet. Lokalisera den röda laserpunkten till den fribärande ungefär, och flytta punkten till mitten av den fribärande spetsen genom att spåra pricken som visas i monitorn.
      Obs: När lasern är korrekt inställd, visas rosa eftertanke plats på laserinställningsfönstret.
    7. Rikta detektorn genom att lokalisera den rosa reflektionsbilden vid centrum av laserinställningsfönstret. Justering av fotodetektor vreden på SPM huvudet tills den kvadrant fotodioden (QPD) signal summan är större än 2 V minst (2,1-2,4 V).
    8. Tune konsolen med hjälp av Autotune i Gren Tuning wiNdow. Köra Autotune i ett frekvensområde av 0 - 1000 kHz.
    9. Bringa skivans yta in i mikroskopets fokus genom att justera fokus rattarna.
    10. Kör fribärande spets långsamt mot skivans yta med hjälp av upp- och nedpilarna i "Motor Stage" fönster. Stoppa rörelsen innan spets berör provets yta.
      Obs: När spetsen närmar sig skivan, visas suddig svart bild av spetsen i monitorn och bilden blir tydlig när spetsen och skivytan få kontakt. Låt aldrig spetsen röra fysiskt provet. Det skadar både prov och instrument. Stoppa tips när mörkret suddiga bilden visas.
    11. Klicka på knappen ingrepp i verktygsfältet.
    12. Välj en skanningsstorlek (5-10 pm), en samplingsnummer (512-1,024), och en svephastighet (0,5-0,6 Hz) i popup-fönster, i syfte att förvärva en storskalig bild först.
    13. Börja skanna. Gradvis anpassa P (proportionell förstärkning), I (integral förstärkning), och D (vertikal deböjning) värden om kontrasten mellan partiklarna och substratet bakgrunden är för låg för att tydligt erkänna partikelformer och gränser från den skannade bilden.
      Obs: När ett nytt PID inställda värdet anges, kommer skanningen automatiskt startas.
    14. Om det finns någon region av intresse i storskalig bild, köra om skanningen med en ordentlig uppsättning skanningsstorlek, x-offset, y-offset, och antalet stickprov.
    15. Koppla ur sonden efter mätningen.
      Obs: Lyft sondhuvudet för att förhindra eventuella skador på fribärande spetsen och provet. Ta bort sonden huvudet först, och sedan, lossa provet disken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Poloxamer 407-belagda SWNT nanorod suspensioner tillverkades med användning av provberedningsförfarandet (figur 4), som kan delas in i två viktiga processer; fysikalisk adsorption processen för poloxamer 407 på SWNT ytor med hjälp av ultraultraljudsbehandling, och fraktioneringsprocessen av individuellt stabiliserade SWNTs från medföljande aggregat med hjälp av centrifugering.

De SANS spridnings intensiteter erhölls för den framställda poloxamer 407 / SWNT / D2O provet i ett temperaturområde av 20-60 ° C i frånvaro (figur 5A) och närvaro (figur 5B) av 5MS. Spridningsintensitet med q - en beteende i de låga q områdena (<0,02 Å - 1) indikerar att det finns cylindriska stavliknande partiklar i vattenbaserade media. Genom att ändra temperaturen från 20 ° C till 60° C eller genom att lägga till 5ms tillsatser, spridningsnivåer visar tydliga förändringar; en övergång till högre q i mellan q-regionen (0,02-0,05 Å - 1) och utvecklingen av en topp vid hög q (ca 0,11 Å - 1) observeras. Dessa analoga förändringar på grund av temperaturkontroll och 5MS-tillägg härrör från den strukturella förändringen av poloxamer 407-inkapslingsskikt på SWNTs. Såsom sammanfattas i figur 6A-6D, CNT kärna / hydrofob inre skal / hydratiserad poloxamer 407 skikt undergår en strukturomvandling från en SWNT inkapslad av sfäriska miceller av poloxamer 407 vid rumstemperatur till en SWNT inkapslad av en kompakt cylindrisk lager av poloxamer 407 på högre temperatur. Strukturförändringen var reversibel med varierande temperatur oavsett om förekomsten av 5ms tillsatser; storleken på hydratiserade polymeren blobs var reversibelt styrd i ett temperaturintervall mellan 20 ° C och 60 ° C. Under denna structural förändring av poloxamer 407 skiktet, det sfäriska poloxamer 407 micell med en tröghetsradie av 45 Å, som består av flera Poloxamer 407 kedjor, blir en uppsättning av enkelkedjiga blobs som omger SWNT kärna mer kompakt med en tröghetsradie av 30 Å.

Strukturomvandlingen på både temperaturkontroll och aromatiska tillsatser kan förklaras av variationer i intermolekylära interaktioner mellan polymerer, vatten och SWNTs. Ökande hydrofobicitet PPO och PEO-block med ökande temperatur orsakar starkare interaktion mellan adsorberade polymerer med SWNT kärnytorna än med vatten. 21 Som ett resultat av de adsorberade polymerema bildar mer kompakt inkapslingsskiktet vid hög temperatur för att täcka den hydrofoba kärnan mer effektivt och minska gräns fri energi. Denna tendens kan mer främjas i närvaro av 5ms grund av den förmånliga samspelet mellan SWNT och bensenring på 5 ms samt stark tendens på 5 ms att binda med poloxamer 407. 21,22 Speciellt innergodstjocklek (figur 6B), som uppmättes till omkring 3 Å nära den plana avståndet mellan 5ms molekyler och SWNT ytor , är 21 i god överensstämmelse med förutsägelsen att de tillsatta 5MS föredrar att ockupera SWNT ytan och ger ett användarvänligt gränssnitt till polymererna.

Som en kompletterande undersökning till SANS studien poloxamer 407 / SWNT nanostavar observerades i verkliga rymden med hjälp av ett AFM. Figurerna 7A och 7B är knacka läge AFM-bilder av Poloxamer 407 / SWNT nanostavar som var spinnbelades på ett Si-wafer. Även om dessa AFM-bilder visar bara en torkad morfologi av nanostavar utan vatten, de ger belägg för de-paketering och spridning av SWNTs samt fördelningen längden på nanostavar.

keep-together.within-page = "1"> Figur 1
Figur 1. Ögonblicksbild av ultraljudprocessen för SWNT stabilisering. Ett provrör sätts i ett vattenbad med spetsen doppas i. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 2
Figur 2. Aluminium banjo cell hållare till EQ-SANS experimentet vid SNS. (A) isärtagna delarna inklusive (i) en banjo cell (ii) distanser, och (iii) en hållare. (B) Monterade delar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

3 "src =" / filer / ftp_upload / 53969 / 53969fig3.jpg "/>
Figur 3. Standard EQ-SANS experiment miljöer. (A) Prov monter, och (B) styrprogram vid balklinjen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 4
Figur 4. Förenklat provberedning förfarande för Poloxamer 407 / SWNT (prov # 1) och Poloxamer 407 / SWNT / 5MS (prov # 2) suspensioner. Massförhållandet mellan SWNTs och Poloxamer 407 i dessa slutliga suspensioner mättes genom termogravimetrisk analys (TGA ) efter frystorkning (*). (Denna siffra har modifierats med tillstånd från ref. 21. Copyright 2015, American Chemical Society.)k "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 5
Figur 5. SANS intensiteter mätta i ett temperaturområde från 20 ° C till 60 ° C. (A) Poloxamer 407 / SWNT / D2O prov. (B) Poloxamer 407 / SWNT / 5MS / D 2 O prov. De heldragna linjerna är de kurvor som erhålles genom att montera de SANS data med hjälp av en modifierad kärna / skal / kedja modell. Q - en beteende vid låga q regioner runt 0,01 Å - 1 indikerar förekomsten av stavliknande partiklar i suspensioner. Kurvorna har förskjutits för tydlighets skull. (Denna siffra har modifierats med tillstånd från ref. 21. Copyright 2015, American Chemical Society.) Klicka här för att se en större version av denna Figure.

figur 6
Figur 6. Närmare strukturer av inkapslingsskikt från en SANS modell passform analys. (A) Tröghetsradie (R g) av poloxamer 407 kedja blobs och (B) en tjocklek av hydrofoba inre skal lager (T 1) på SWNT ytor i frånvaro (diamant) och närvaro (square) av 5-metylsalicylsyra (5MS) i ett temperaturintervall från 20 ° C till 60 ° C. R g reversibelt ändras genom att reglera temperaturen via värme (fylld markör) och kylning (fylld markering med ett kors inuti) processer oavsett om förekomsten av 5MS. (CD) Schematiska tvärsnittsdiagram föreslog från SANS Analys för poloxamer 407 / SWNT nanostavar vid rumstemperatur (överst) och dess strukturella förändringar med ökande temperatur eller tillsättning av tillsatser (botten). (Denna siffra has modifierats med tillstånd från ref. 21. Copyright 2015, American Chemical Society.) Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 7
Figur 7. Gäng läge AFM-bilder av spinnbelagda Poloxamer 407 / SWNT nanostavar på Si-wafer. (A) höjd kanal bilden ger z-riktningstjockleksinformation. (B) Den gäng amplitud kanal bild visar tydliga gränser deponerade nanopartiklar. Skala bar: 1 pm. (Denna siffra har modifierats med tillstånd från ref. 21. Copyright 2015, American Chemical Society.) Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

SANS och AFM mätningar visade att SWNTs har framgångsrikt de-paketerade och individuellt dispergerad i vattenlösning med hjälp av en poloxamer 407 trisegmentsampolymer. I det här exemplet framställningsmetod, ultra-sonikering och centrifugering processer är de kritiska steg som bestämmer egenskaperna hos den slutliga suspensionen. Den starka interaktionen mellan SWNTs, som tvingar obelagda SWNTs att bunta ihop i lösning, måste övervinnas för att stabilisera de enskilda SWNTs med segmentsampolymerer. Att ge en tillräcklig energi för en korrekt lång tid gör att polymerer för att övervinna de energibarriärer och stabilisera SWNT framgångsrikt. Ändå är det för svårt att ta bort alla SWNT buntar i suspensionen och därmed är fraktioneringsprocessen också viktigt att producera hög renhet och kvalitet prover. Optimeringen i sonication kraften, centrifugeringsvarvtal, och uppsamlingsvolymen supernatant krävs om någon förbättring i provetbehövs renhet och utbyte hastigheten.

Med användning av denna metod kan termoreversibla CNT / polymernanopartiklar av olika storlekar tillverkas genom att variera molekylvikten hos den trisegmentsampolymer. Man har förutspått att stabiliseringen av kolnanorör med hjälp av amfifila segmentsampolymerer visar storleksselektivitet så att kolnanorör med en specifik diameter kan selektivt löses. 25 I detta arbete visar SANS analys att SWNT kärnan i de syntetiserade nanostavar har en diameter ca 7,2 Å i genomsnitt. Detta innebär att poloxamer 407 och med skulle kunna solubilisera SWNTs med en relativt liten diameter runt 7-8 Å bland HiPCO (högtrycks kolmonoxid) SWNTs, vilka är kända för att ha en diameter av 7-14 Å. 26 Därför är en rationell urval av molekylvikt och PEO / PPO viktförhållandet i PEO-PPO-PEO-polymerer kan forskarna inte bara att utnyttja antingen enkel vägg eller flera väggar kolnanorör hänsynmindre av sin diameter utan även storleks selektivt tillverka polymer CNT hybrid nanostavar via denna strategi.

Även om en mängd olika PEO-PPO-PEO polymerbelagda CNT nanostavar kan framställas genom den identiska framställningsförfarandet, metoder för karakterisering av den detaljerade strukturen i verkliga rymden är ganska begränsad. Allmänt använda optisk mikroskopi instrument är inte lämpliga på grund av den mycket ringa partikelstorleken. Elektronmikroskopi (EM) och AFM tekniker har också begränsningar. Lösningsmedel avdunstning krävs i torr EM och AFM tekniker förhindrar in-situ karakterisering och kan orsaka en morfologi förändring och temperatursläckning i Cryo-EM hindrar realtid observation med temperaturkontroll. Således är den strukturella karakteriseringen i q-rymden med hjälp av små vinklar spridningstekniker viktigt i detta system, och det är också mer kraftfull om någon annan verkliga rymdobservation kan tillhandahållas som ett komplement.

21

Genom detta arbete är det visat att de syntetiserade hybridnanopartiklar uppvisar en känslig temperaturberoende respons deras inkapsling struktur. Dessa system presenterar en intressant modell för smarta funktionella byggstenar som själv montera in högre beställas nanostrukturer och vars inom och mellan partikel strukturer reversibelt styrs som ett svar på yttre stimuli. Medan tekniken presenteras lämpar sig för produktion av välordnade, självmonterade system, det finns fortfarande utmaningar att övervinnas innan de kan användas i anordningar. Till exempel, efter ultraljudsbehandling CNT: s är inte enhetlig längd begränsar hela tredimensionell ordning. Ändå framgångsrik utformning av tillverkning av form avstämbara nano-byggstenar ger en lovande möjlighet tillsjälv monterade smarta funktionella material.

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 Kolnanorör funktionalisering av kolnanorör segmentsampolymerer självorganisering små vinklar neutronspridning termoreversibla
Funktionalisering av Single-vägg kolnanorör med termoreversibel blocksampolymerer och karakterisering av små vinklar neutronspridning
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