Fonctionnalisation de Simple paroi Carbon Nanotubes avec Thermo-réversibles Copolymères blocs et Caractérisation par petits angles de diffusion neutronique
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
Les nanotubes de carbone (NTC) sont des nanoparticules cylindriques creuses formées par laminage d'une feuille de graphite échelle micrométrique dans un nanotube. En raison de leurs propriétés mécaniques, thermiques et électriques extraordinaires nanotubes de carbone ont été largement étudiés en tant que nouveau candidat pour les nanoparticules fonctionnelles dans des applications thérapeutiques et bio-détection, ainsi que des nano-charges dans des matériaux nanocomposites auto-assemblées. 1-3 Cependant, leur faible solubilité et une forte préférence pour faire des faisceaux dans des solvants organiques et aqueux couramment utilisés entravent le traitement facile et respectueux de l'environnement ainsi que des progrès dans les applications biologiques. Par conséquent, une variété de méthodes de fonctionnalisation, comme l' ultra-sonication, la modification chimique de la surface, et la fonctionnalisation non covalente en utilisant des tensioactifs et des copolymères séquences, 9/4 ont été développées pour modifier les surfaces de CNT et améliorer leur aptitude à la dispersion dans une large gamme de les solvants. functiona non covalenteméthodes de lisation basées sur les traitements de surface physiques, en particulier, sont considérés comme une stratégie prometteuse et robuste, car toute modification de surface suppression induite dans les propriétés CNT intrinsèques peut être minimisée. 10 A ce jour, il y a eu de nombreux efforts pour améliorer l'efficacité de dispersion des méthodes de fonctionnalisation non covalente en employant divers types d'agents dispersants tensio – actifs , y compris basiques (par exemple, le SDS, le CTAB, NaDDBS), 7,11 copolymères à blocs amphiphiles, 8 bio-matériaux (par exemple, ADN), 12,13 et polymères fonctionnels synthétiques (par exemple, un polymère conjugué, polymère aromatique). 14,15
les chaînes à la fois PEO-PPO-PEO Les polymères Un type de copolymère triséquencé constitué de deux poly hydrophiles (oxyde d'éthylène) (PEO) se termine lié de manière covalente à un poly hydrophobe (oxyde de propylène) (PPO) de la chaîne au centre, peut prolonger le potentiel application de NTC non covalente fonctionnalisés isolution aqueuse n. Ces polymères fournissent l'interface, ce qui est convivial non seulement sur les surfaces CNT, mais aussi pour les milieux aqueux et d'autres matrices de polymère et présente une biocompatibilité considérable en raison de la toxicité minimale des chaînes de PEO. Ceci facilite le traitement plus facile dans une large gamme de milieux de dispersion, ainsi que l'utilisation des nanotubes de carbone enrobés de polymère dans des applications biomédicales. 12,16-17 De plus, le comportement de phase riche thermodynamique de ces polymères sur la base de leurs réponses sensibles à des stimuli externes permet la fabrication des nanostructures hybrides copolymère bloc-CNT à puce dans laquelle intra- et structures inter-particules peuvent être réversible et contrôlée avec précision. 18-21 ici, nous présentons un protocole pour la fabrication de nanoparticules hybrides à base de CNT avec une couche d'encapsulation accordable PEO105-PPO70-PEO105 (poloxamère 407). La structure résultante est caractérisée par une faible dispersion angulaire neutronique (SANS). Ce travail devrait Introduce le concept de smart blocs de construction fonctionnelle et aident les non-spécialistes préparent facilement suspensions CNT copolymère à blocs fonctionnalisés et utilisation SANS pour la caractérisation détaillée à Oak Ridge National Laboratory.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sans et mesures AFM ont montré que les SWNT ont été dé-empaqueté avec succès et individuellement dispersées dans une solution aqueuse en utilisant un copolymère triséquencé poloxamère 407. Dans ce procédé de préparation de l'échantillon, l'ultra-sonication et des procédés de centrifugation sont des étapes critiques qui déterminent les caractéristiques de la suspension finale. La forte interaction entre les SWNT, qui oblige les SWNT non couchés à grouper ensemble dans la solution, il faut su…
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) |
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