Funktionalisierung von einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit Thermo-reversible Blockcopolymere und Charakterisierung durch Kleinwinkelneutronenstreuung

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

Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs) hohle zylindrische Nanoteilchen, gebildet durch eine Mikrometer-Maßstab Graphitfolie in eine nanotube rollen. Aufgrund ihrer außergewöhnlichen mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften wurden CNTs extensiv als neuartige Kandidaten für funktionelle Nanopartikel in therapeutischen und Bio-Sensor – Anwendungen sowie Nanofüllstoffe in selbstorganisierenden Nanokompositmaterialien sucht. ^1-3 jedoch ihre schlechte Löslichkeit und starke Präferenz in Richtung Bündel in häufig verwendeten organischen und wässrigen Lösungsmitteln Herstellung behindern leicht und umweltfreundliche Verarbeitung sowie Fortschritte in der biologischen Anwendungen. Daher ist eine Vielzahl von Funktionalisierung Methoden, wie Ultraschallbehandlung, chemische Oberflächenmodifizierung und nichtkovalente Funktionalisierung durch Tenside und Blockcopolymere verwendet wurden ^4-9 wurden entwickelt , um die CNT Oberflächen zu modifizieren und ihre Dispergierbarkeit in einem weiten Bereich von verbessern Lösungsmittel. Nicht-kovalente functionalisierung Methoden basierend auf physikalischen Oberflächenbehandlungen, insbesondere werden als eine vielversprechende und robuste Strategie sein, weil jede Oberflächenmodifikations induzierte Unterdrückung der intrinsischen CNT Eigenschaften minimiert werden kann. ¹⁰ Bisher wurden zahlreiche Anstrengungen unternommen worden , die Dispersionseffizienz zu verbessern nichtkovalente Funktionalisierung Verfahren durch verschiedene Arten von Dispersionsmitteln , einschließlich Basis Tenside (zB SDS, CTAB, NaDDBS), ^7,11 amphiphile Blockcopolymere, ⁸ bio-Materialien (zB DNA), ^12,13 und synthetische funktionelle Polymere einsetzt (beispielsweise konjugiertes Polymer, aromatische Polymer). ^14,15

PEO-PPO-PEO-Polymere, eine Art Triblockcopolymer, bestehend aus zwei hydrophilen Poly (ethylenoxid) (PEO) Ketten an beiden kovalent Enden mit einem hydrophoben Poly (propylenoxid) (PPO) Kette in der Mitte gebunden ist, kann das Potential erweitern Anwendung von nicht-kovalent funktionalisierten CNTs in wässriger Lösung. Diese Polymere bilden die Schnittstelle, die nur freundliche nicht auf die CNT Oberflächen, sondern auch auf wässrige Medien und andere Polymermatrices und zeigt enorme Biokompatibilität aufgrund der minimalen Toxizität der PEO-Ketten. Dies erleichtert das einfachere Verarbeitung in einer Vielzahl von Umgebungen , sowie die Verwendung von polymerbeschichteten CNTs in biomedizinischen Anwendungen dispergieren. ^12,16-17 Darüber hinaus ist die reiche thermodynamischen Phasenverhalten dieser Polymere basiert auf ihren empfindlichen Reaktionen auf externe Stimuli ermöglichen die Herstellung der Smart – Block – Copolymer-CNT – Hybrid – Nanostrukturen , in denen intra- und interPartikelStrukturen reversibel und präzise gesteuert werden. ^18-21 Hier präsentieren wir ein Protokoll für die Herstellung von CNT-basierten Hybrid – Nanopartikel mit einer abstimmbaren Verkapselungsschicht aus PEO105-PPO70-PEO105 (Poloxamer 407). Die sich ergebende Struktur wird durch Kleinwinkelneutronenstreuung (SANS) charakterisiert. Diese Arbeit wird voraussichtlich introduce das Konzept der Smart-Funktionsbausteine ​​und helfen Nicht-Spezialisten leicht Blockcopolymer-funktionalisierte CNT Suspensionen und Verwendung SANS für die detaillierte Charakterisierung des Oak Ridge National Laboratory vorzubereiten.

Protocol

Hinweis: Dieses Protokoll besondere Sorgfalt bei der Handhabung von Nanomaterialien erfordert. Als gekauften einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (SWNT) bestehen in Form von feinem Pulver und so sollten sie als Nano gefährlichen Materialien in Betracht gezogen werden, bevor sie in wässrigen Lösungen dispergiert werden. Bitte verwenden Sie entsprechende Schutzausrüstung in den Sicherheitsdatenblättern beschrieben (MSDS). 1. Herstellung von Poloxamer 407 / SWNT wässrigen Suspensionen <p…

Representative Results

Poloxamer 407 beschichteten SWNT nanorod Suspensionen wurden unter Verwendung der Probenvorbereitungsverfahren (Figur 4) hergestellt, die in zwei wichtige Prozesse unterteilt werden kann; die physikalische Adsorptionsverfahren von Poloxamer 407 auf SWNT Oberflächen mit ultra-Beschallung und die Fraktionierung Prozess individuell stabilisierten SWNT von gebündelten Aggregate mit Zentrifugation. Die SANS Streu…

Discussion

SANS und AFM-Messungen zeigten, dass SWNTs wurden in wässriger Lösung unter Verwendung eines Poloxamer 407 Triblockcopolymer erfolgreich de-gebündelt und individuell verteilt worden. In diesem Probenvorbereitungsverfahren, Ultraschallbehandlung und Zentrifugation Prozesse sind die kritischen Schritte, um die Eigenschaften der endgültigen Suspension zu bestimmen. Die starke Wechselwirkung zwischen den SWNTs, die nicht beschichteten SWNTs zwingt in Lösung zu bündeln, müssen die einzelnen SWNT mit Blockcopolymeren z…

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)