Funcionalização da murada-Single nanotubos de carbono com termo-reversível copolímeros em bloco e caracterização por Small-angle Neutron Scattering

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

nanotubos de carbono (CNT) são nanopartículas cilíndricas ocas formadas por rolando uma folha de grafite escala micrométrica em um nanotubo. Devido às suas propriedades mecânicas, térmicas, eléctricas e extraordinárias, nanotubos de carbono têm sido extensivamente investigado como um candidato novo para nanopartículas funcionais em aplicações terapêuticas e de bio-sensor, assim como agentes de enchimento em nano-materiais nanocompósitos auto-montadas. ^03/01 No entanto, a sua baixa solubilidade e forte preferência para tornar feixes em solventes orgânicos e aquosos comumente usados ​​dificultar o processamento fácil e ambientalmente amigável, bem como avanços em aplicações biológicas. Por isso, uma variedade de métodos de funcionalização, tais como ultra-sonicação, modificação química da superfície, e funcionalização não covalente usando tensioactivos e copolímeros em bloco, ^4-9 têm sido desenvolvidas para modificar as superfícies CNT e melhorar a sua capacidade de dispersão numa vasta gama de solventes. functiona não covalentemétodos lização com base em tratamentos de superfície físicas, em particular, são considerados como sendo uma estratégia promissora e robusta, porque qualquer superfície modificação supressão induzida nas propriedades intrínsecas CNT pode ser minimizada. ¹⁰ Até à data, tem havido numerosos esforços para melhorar a eficiência de dispersão métodos de funcionalização não covalentes através do emprego de vários tipos de agentes tensioactivos, incluindo dispersivos de base (por exemplo, SDS, CTAB, NaDDBS), ^7,11 copolímeros em bloco anfifílicos, ⁸ bio-materiais (por exemplo, ADN), ^12,13 e polímeros sintéticos funcionais (por exemplo, conjugado polímero, polímero aromático). ^14,15

polímeros de cadeias, tanto PEO-PPO-PEO, um tipo de copolímero tribloco consistindo de (óxido de etileno) dois poli hidrofílico (PEO) extremidades ligada de forma covalente a um poli hidrofóbico (óxido de propileno) cadeia (PPO) no centro, pode estender o potencial aplicação de nanotubos de carbono não-covalente funcionalizados isolução aquosa de N. Estes polímeros proporcionam a interface, que é amigável não só às superfícies da CNT, mas também para os meios aquosos e outras matrizes poliméricas e exibe tremenda biocompatibilidade devido à toxicidade mínima das cadeias de PEO. Isto facilita um processamento mais fácil numa vasta gama de ambientes de dispersão bem como a utilização de nanotubos de carbono revestidos com polímero em aplicações biomédicas. ^12,16-17 Além disso, o comportamento de fase rica termodinâmica destes polímeros com base nas suas respostas sensíveis a estímulos externos permite a fabricação das nanoestruturas inteligentes híbridos bloco de copolímero-CNT em que intra e inter-estruturas de partículas pode ser reversível e precisamente controladas. ^18-21 Aqui, apresentamos um protocolo para a fabricação de nanopartículas híbridas baseadas em CNT com uma camada de encapsulamento sintonizável de PEO105-PPO70-PEO105 (poloxâmero 407). A estrutura resultante é caracterizada pelo pequeno ângulo de dispersão de neutrões (SANS). Este trabalho é esperado para Introduce o conceito de blocos de construção funcionais inteligentes e ajudar os não-especialistas facilmente preparar suspensões CNT bloco de copolímero-funcionalizados e uso SANS para a caracterização detalhada no Oak Ridge National Laboratory.

Protocol

Nota: Este protocolo requer cuidados especiais no manuseio dos nanomateriais. As-comprado nanotubos de carbono de parede única (nanotubos) existem sob a forma de pó fino e, portanto, eles devem ser considerados como nano-materiais perigosos antes de se dispersar em soluções aquosas. Por favor, use equipamento de segurança apropriado descrito nas fichas de dados de segurança de material (MSDS). 1. Preparação de Poloxamer 407 / SWNT Suspensões aquosas Nota: …

Representative Results

Poloxamer 407-revestido SWNT suspensões nanorod foram fabricados usando o procedimento de preparação da amostra (Figura 4), ​​que pode ser dividido em dois importantes processos; o processo de adsorção física de poloxâmero 407 em superfícies SWNT usando ultra-sonicação, e o processo de fraccionamento de nanotubos de carbono individualmente estabilizadas a partir de agregados de pacotes utilizando a centrifugação. <p class="jove_content" fo:keep-togeth…

Discussion

SANS e medidas de AFM mostraram que nanotubos de carbono têm sido de-empacotado com sucesso e individualmente dispersas em solução aquosa, utilizando um copolímero de tribloco de poloxâmero 407. Neste método de preparação da amostra, de ultra-sonicação e processos de centrifugação são os passos críticos que determinam as características da suspensão final. A forte interação entre os nanotubos de carbono, o que obriga SWNTs não revestidos para agrupar juntos em solução, devem ser superados para estab…

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)