Functionalization من احد الجدران الكربون الأنابيب النانومترية مع الحرارية عكسها البوليمر كتلة وتوصيف كل زاوية صغيرة تشتت النيوترونات
Summary
A method for the functionalization of carbon nanotubes with structure-tunable polymeric encapsulation layers and structural characterization using small-angle neutron scattering is presented.
Abstract
We demonstrate a protocol for single-walled carbon nanotube functionalization using thermo-sensitive PEO-PPO-PEO triblock copolymers in an aqueous solution. In a carbon nanotube/PEO105-PPO70-PEO105 (poloxamer 407) aqueous solution, the amphiphilic poloxamer 407 adsorbs onto the carbon nanotube surfaces and self-assembles into continuous layers, driven by intermolecular interactions between constituent molecules. The addition of 5-methylsalicylic acid changes the self-assembled structure from spherical-micellar to a cylindrical morphology. The fabricated poloxamer 407/carbon nanotube hybrid particles exhibit thermo-responsive structural features so that the density and thickness of poloxamer 407 layers are also reversibly controllable by varying temperature. The detailed structural properties of the poloxamer 407/carbon nanotube particles in suspension can be characterized by small-angle neutron scattering experiments and model fit analyses. The distinct curve shapes of the scattering intensities depending on temperature control or addition of aromatic additives are well described by a modified core-shell cylinder model consisting of a carbon nanotube core cylinder, a hydrophobic shell, and a hydrated polymer layer. This method can provide a simple but efficient way for the fabrication and in-situ characterization of carbon nanotube-based nano particles with a structure-tunable encapsulation.
Introduction
أنابيب الكربون النانوية (الأنابيب النانوية الكربونية) هي جوفاء النانوية أسطواني شكلت من قبل المتداول ورقة الجرافيت ميكرومتر النطاق في الأنابيب النانوية. بسبب الخواص الميكانيكية والحرارية، والكهربائية غير عادية، وتم التحقيق فيها الأنابيب النانوية الكربونية على نطاق واسع باعتباره مرشحا جديدا لالنانوية وظيفية في التطبيقات العلاجية والاستشعار الحيوي وكذلك نانو الحشو في المواد بمركب متناهي في الصغر الذاتي تجميعها 1-3 ومع ذلك، من الفقراء الذوبان وتفضيل قوي نحو جعل حزم في المذيبات العضوية والمائية التي يشيع استخدامها تعيق معالجة سهلة وصديقة للبيئة، فضلا عن التقدم في التطبيقات البيولوجية. لذلك، ومجموعة متنوعة من أساليب functionalization، مثل فائقة صوتنة، تعديل سطح الكيميائية، وfunctionalization غير التساهمية باستخدام السطحي وبوليمرات كتلة، 4-9 وقد وضعت لتعديل السطوح أنابيب الكربون النانوية وتحسين تشتت في مجموعة واسعة من المذيبات. functiona غير التساهميةطرق lization استنادا المعالجات السطحية المادية، على وجه الخصوص، تعتبر استراتيجية واعدة وقوية، لأن أي الناجم عن قمع سطح التعديل في خصائص CNT الجوهرية يمكن التقليل من 10 وحتى الآن، كان هناك العديد من الجهود لتحسين كفاءة تشتت أساليب functionalization غير التساهمية عن طريق استخدام أنواع مختلفة من وكلاء والتشتت بما السطحي الأساسية (على سبيل المثال، SDS، CTAB، NaDDBS)، 7،11 بوليمرات كتلة محبة للجهتين 8 المواد الحيوية (مثل DNA)، 12،13 والبوليمرات وظيفية الاصطناعية (على سبيل المثال، مترافق البوليمر، البوليمر العطرية). 14،15
البوليمرات سلاسل في كل بيو-PPO-بيو، وهو نوع من البوليمرات triblock تتكون من اثنين من بولي ماء (أكسيد الاثيلين) (بيو) وينتهي ملزمة تساهميا إلى بولي مسعور واحد (أكسيد البروبيلين) (PPO) سلسلة في المركز، ويمكن تمديد القدرة تطبيق الأنابيب النانوية الكربونية غير تساهمي functionalized طن محلول مائي. وتوفر هذه البوليمرات واجهة، والتي هي صديقة ليس فقط على السطوح أنابيب الكربون النانوية ولكن أيضا إلى وسائل الإعلام المائية وغيرها من المصفوفات البوليمر ويسلك توافق مع الحياة هائلا نظرا لسمية الحد الأدنى للسلاسل بيو. هذا يسهل أسهل معالجة في مجموعة واسعة من البيئات تفريق فضلا عن استخدام الأنابيب النانوية الكربونية المغلفة البوليمر في التطبيقات الطبية الحيوية. 12،16-17 وعلاوة على ذلك، سلوك المرحلة الحرارية الغنية من هذه البوليمرات استنادا إلى الردود حساسة لمؤثرات الخارجية تمكن تلفيق الذكية النانو الهجين كتلة كوبوليمر-CNT التي داخل والهياكل بين الجسيمات يمكن السيطرة عكسية وعلى وجه التحديد 18-21 هنا، نقدم بروتوكول لتصنيع جسيمات النانو المختلطة على أساس CNT-مع طبقة التغليف الانضباطي لل PEO105-PPO70-PEO105 (بولوكسامير 407). يتميز الهيكل الناجم عن زاوية صغيرة تشتت النيوترونات (SANS). ومن المتوقع أن introduc هذا العملالبريد مفهوم اللبنات ظيفي الذكية ومساعدة غير المتخصصين بسهولة إعداد functionalized كوبوليمر كتلة تعليق المركز الوطني للاستشعار وSANS استخدام لتوصيف مفصل في مختبر أوك ريدج الوطني.
Protocol
Representative Results
Discussion
وأظهرت SANS وقياسات AFM أن SWNTs تم اجتثاث المجمعة بنجاح وبشكل فردي تفرقوا في محلول مائي باستخدام بولوكسامير 407 triblock من البوليمرات. في هذه الطريقة تحضير العينة، فائقة صوتنة وعمليات الطرد المركزي هي الخطوات الحاسمة تحديد خصائص تعليق النهائي. التفاعل القوي بين SWNTs، الأمر ال?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The Research at Oak Ridge National Laboratory’s Spallation Neutron Source and Center for Nanophase Materials Sciences was sponsored by the Scientific User Facilities Division, Office of Basic Energy Sciences, U.S. Department of Energy. The author, Zhe Zhang, gratefully acknowledges the financial support from Jülich Center for Neutron Science, Research center Jülich.
Materials
| 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 um) ; Diced (12 mm x 12 mm) |
References
- Kostarelos, K., Bianco, A., Prato, M. Promises, facts and challenges for carbon nanotubes in imaging and therapeutics. Nat Nanotechnol. 4 (10), 627-633 (2009).
- Baughman, R. H., Zakhidov, A. A., de Heer, W. A. Carbon nanotubes–the route toward applications. Science. 297 (5582), 787-792 (2002).
- Wang, J. Carbon-nanotube based electrochemical biosensors: a review. Electroanal. 17 (1), 7-14 (2005).
- 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).
- 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).
- Kim, S. W., et al. Surface modifications for the effective dispersion of carbon nanotubes in solvents and polymers. Carbon. 50 (1), 3-33 (2012).
- Moore, V. C., et al. Individually suspended single-walled carbon nanotubes in various surfactants. Nano Lett. 3 (10), 1379-1382 (2003).
- 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).
- 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).
- Yang, Z., et al. Noncovalent-wrapped sidewall functionalization of multiwalled carbon nanotubes with polyimide. Polym Composite. 28 (1), 36-41 (2007).
- 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).
- 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).
- Zheng, M., et al. DNA-assisted dispersion and separation of carbon nanotubes. Nat Mater. 2 (5), 338-342 (2003).
- 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).
- Chen, J., et al. Noncovalent engineering of carbon nanotube surfaces by rigid, functional conjugated polymers. J Am Chem Soc. 124 (31), 9034-9035 (2002).
- Jones, M. C., Leroux, J. C. Polymeric micelles-a new generation of colloidal drug carriers. Eur J Pharm Biopharm. 48 (2), 101-111 (1999).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Alvarez, R., et al. Mantid 3.4: Manipulation and Analysis Toolkit for Instrument Data. Mantid Project. , (2015).
- 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).
- Nikolaev, P., et al. Gas-phase catalytic growth of single-walled carbon nanotubes from carbon monoxide. Chem. Phys Lett. 313 (1), 91-97 (1999).
