Functionalization של ננו-צינורות פחמן חד-דופנות עם קופולימרים לחסום Thermo-הפיך אפיון על ידי פיזור קטן זווית ניוטרון
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
צינוריות פחמן (CNTs) הן חלקיקים גליליים חלולים נוצרו על ידי גלגול גיליון גרפיט מיקרומטר בקנה מידה לתוך ננו-צינורית. בגלל התכונות המכאניות, תרמיות, וחשמליות בתקציביהן, CNTs נחקר בהרחבה כמועמד חדשן חלקיקים תפקודיים יישומים רפואיים וביו-חישה כמו גם חומר מילוי ננו חומרי nanocomposite עצמית התאסף. 1-3 עם זאת, שלהם מסיסויות עניי העדפה חזקה לקראת קבלת חבילות ב נפוץ ממסים אורגניים מימיים לעכב עיבוד קל וידידותי לסביבה, כמו גם התקדמות יישומים ביולוגיים. לכן, מגוון רחב של שיטות functionalization, כגון-sonication אולטרה, שינוי פני השטח כימיים, functionalization הלא קוולנטיים באמצעות פעילי שטח ו קופולימרים לחסום, 4-9 פותחו כדי לשנות את משטחי CNT ולשפר dispersibility שלהם במגוון רחב של ממיסים. functiona ללא קוולנטייםשיטות lization מבוסס על בציפויים פיסיים, בפרט, נחשבות אסטרטגיה מבטיחה ויציבה, כי כל דיכוי מושרה משטח-שינוי במאפייני CNT מהותיים ניתן למזער. 10 נכון להיום, נעשו מאמצים רבים על מנת לשפר את יעילות הפיזור שיטות functionalization הלא קוולנטיים ידי העסקת סוגים שונים של סוכני נפיצה ובהם פעילי שטח בסיסיים (למשל, SDS, CTAB, NaDDBS), 7,11 קופולימרים לחסום amphiphilic, 8-חומרים ביו (למשל, דנ"א), 12,13 ופולימרים פונקציונלי סינתטי (למשל, פולימר מצומדות, פולימר ארומטי). 14,15
PEO-PPO-PEO פולימרים, מעין קופולימר triblock מורכב משני פולי הידרופילי (אתילן אוקסיד) (PEO) שרשרות בשני קצותיו מחויבים קוולנטית פולי הידרופובי אחד (פרופילן אוקסיד) (PPO) שרשרת במרכז, ניתן להרחיב את הפוטנציאל יישום של CNTs הלא קוולנטית פונקציונלי iבתמיסה מימית n. פולימרים אלו מספקים את הממשק, שהוא ידידותי לא רק על משטחי CNT אלא גם להמדים מהימיים ומטריצות פולימר אחרות ותערוכות התאמה ביולוגיות עצומה בשל הרעילות המינימאלית של שרשרות PEO. זה הופך לפשוט יותר עיבוד קל במגוון רחב של פיזור סביבות כמו גם הניצול של CNTs מצופה פולימר היישומים ביו. 12,16-17 יתר על כן, התנהגות השלב התרמודינמית העשירה של פולימרים אלו מבוססים על התשובות הרגישות שלהם לגירויים חיצוניים מאפשרת ייצור של ננו ההיברידית-CNT קופולימר לחסום החכמה שבו תוך ומבנים-חלקיק היתר ניתן הפיכים ומבוקר בדיוק. 18-21 כאן, אנו מציגים פרוטוקול עבור הייצור של חלקיקים היברידיים מבוססים CNT בשכבת אנקפסולציה מתכוננת של PEO105-PPO70-PEO105 (poloxamer 407). המבנה וכתוצאה מכך מאופיין פיזור נייטרונים קטן-זווית (SANS). עבודה זו צפויה introducדואר הרעיון של אבני הבניין פונקציונלי חכם ולעזור שאינם מומחים בקלות להכין לחסום קופולימר פונקציונליות השעיות CNT ו SANS שימוש לאפיון מפורט במעבדה הלאומית באוק רידג '.
Protocol
Representative Results
Discussion
SANS ומדידות AFM הראו כי SWNTs כבר דה-ארוז בהצלחה והתפזר בנפרד בתמיסה מימית באמצעות קופולימר triblock poloxamer 407. בשיטת הכנת המדגם הזה, אולטרה-sonication ותהליכים צנטריפוגה הם השלבים הקריטיים בקביעת המאפיינים של ההשעיה הסופית. האינטראקציה חזקה בין SWNTs, מה שמאלץ SWNTs ציפוי צרור יחד בתמיס…
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).
