Функционализация одностенных углеродных нанотрубок с Thermo-обратимых блоксополимеров и характеристика малоуглового рассеяния нейтронов

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

Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой полые цилиндрические наночастицы, сформированные прокаткой микронных графитовый лист в нанотрубке. Из – за своих необычных механических, тепловых и электрических свойств, УНТ были широко исследованы в качестве нового кандидата для функциональных наночастиц в терапевтических и био-зондирования приложений, а также нано-наполнителей в самоорганизующихся нанокомпозитных материалов. ^1-3 Тем не менее, их плохая растворимость и сильное предпочтение в сторону создания пучков в обычно используемых органических и водных растворителей препятствуют легкий и экологически чистые переработки, а также достижения в области биологических применений. Таким образом, различные методы функционализации, например, ультра- обработки ультразвуком, модификации поверхности химического и нековалентного функционализации с использованием поверхностно -активных веществ и блок – сополимеров, ^4-9, были разработаны для модификации поверхности НКТ и улучшить их диспергируемость в широком диапазоне растворители. Нековалентная functionaМетоды лизация на основе физических способов обработки поверхности, в частности, считается перспективным и надежной стратегией, потому что любая поверхность модификация индуцированное подавление в собственных свойств углеродных нанотрубок может быть сведено к минимуму. ¹⁰ На сегодняшний день, были многочисленные усилия по повышению эффективности дисперсии нековалентных методов функционализации путем использования различных типов диспергирующих агентов , включая основные поверхностно -активные вещества (например, SDS, СТАВ, NaDDBS), ^7,11 амфифильные блок – сополимеры, ⁸ био-материалы (например, ДНК), ^12,13 и синтетических функциональных полимеров (например, сопряженного полимера, ароматический полимер). ^14,15

ПЭО-ППО-ПЭО полимеры, своего рода триблоксополимера, состоящий из двух гидрофильным поли (этиленоксид) (ПЭО) цепи на обоих концах, ковалентно связанных с одним гидрофобным поли (пропиленоксид) (ППО) цепи в центре, может расширить потенциал применение нековалентно функционализованных углеродных нанотрубок ян водный раствор. Эти полимеры обеспечивают интерфейс, который является дружественным не только на поверхности углеродных нанотрубок, но и в водных средах и других полимерных матриц и обладает огромным биосовместимости вследствие минимальной токсичности цепей ПЭО. Это облегчает простую обработку в широком диапазоне диспергирующих сред, а также использования с полимерным покрытием нанотрубок в биомедицине. ^12,16-17 Кроме того, богатые термодинамическое поведение фазы этих полимеров на основе их чувствительных ответах на внешние раздражители позволяет изготовление смарт – блок – сополимер-CNT гибридных наноструктур , в которых внутри- и структуры между частицами может быть обратимо и точно контролируемыми. ^18-21 Здесь мы приводим протокол для изготовления гибридных наночастиц на основе УНТ с перестраиваемой инкапсулирования слоем PEO105-PPO70-PEO105 (полоксамер 407). Полученная структура характеризуется малоуглового рассеяния нейтронов (SANS). Эта работа, как ожидается, Вве концепция интеллектуальных функциональных структурных блоков и помочь неспециалистам легко подготовить блок-сополимер-функционализированные CNT суспензии и использовать SANS для детальной характеристики в Oak Ridge National Laboratory.

Protocol

Примечание: Этот протокол требует особой осторожности при обращении с наноматериалами. Как приобретенное одностенных углеродных нанотрубок (ОСНТ) существуют в виде мелкого порошка и, таким образом, они должны рассматриваться как нано-опасных материалов перед диспергированием их в во…

Representative Results

Полоксамера 407 покрытых SWNT наностержню суспензии были изготовлены с использованием процедуры подготовки образца (рисунок 4), которые можно разделить на два важных процессов; физический процесс адсорбции полоксамера 407 на ОСНТ поверхностей с использованием у…

Discussion

SANS и измерения методом АСМ показали, что ОСНТ были успешно де сгруппирована и индивидуально диспергируют в водном растворе с использованием триблок-сополимера полоксамер 407. В этом способе приготовления образца, ультра-ультразвуковую обработку и центрифугирование процессы являются ?…

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)