Küçük açılı Nötron Saçılma tarafından Thermo-geri dönüşümlü Blok Kopolimer ve Karakterizasyonu Tek duvarlı Karbon Nanotüpler işlevselleştirilmesi
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
Karbon nanotüpler (CNT) bir nanotüp bir mikrometre çaplı grafit levha haddeleme tarafından oluşturulan içi boş silindirik nanopartiküller vardır. Çünkü olağanüstü mekanik, termal ve elektriksel özellikleri, CNTs yoğun kendi kendini monte nanokompozit materyaller terapötik ve biyo-algılama uygulamaları yanı sıra, nano dolgu işlevsel nanopartiküller için yeni bir aday olarak incelenmiştir. 1-3 Ancak, yoksul çözünürlük ve yaygın olarak kullanılan organik ve sulu çözücülerde demetleri yapma yönünde güçlü tercih biyolojik uygulamalarda kolay ve çevre dostu işlem yanı sıra avans engellemektedir. Bu nedenle, ultra sonikasyon, kimyasal yüzey modifikasyonu ve yüzey aktif maddeler ve blok kopolimerleri kullanılarak kovalent olmayan işlevsellik olarak işlevselleştirme yöntemleri, çeşitli 4-9 CNT yüzeyleri değiştirmek ve geniş bir kullanıcı dağılabilirliğini iyileştirmek için geliştirilmiştir çözücülerdir. Kovalent olmayan FunctionAFiziksel yüzey işlemlerine göre katmanlara ayrılmasına yöntemleri, iç CNT özelliklerinde herhangi bir yüzey modifikasyon kaynaklı baskılama minimize edilebilir, çünkü, özellikle de., umut verici ve dayanıklı bir strateji olarak kabul edilir Bugüne kadar 10 dispersiyon verimliliğini artırmak için çok sayıda çalışmalar yapılmıştır temel yüzey aktif maddeler (örneğin, SDS, CTAB, NaDDBS), 7,11 amfifilik blok kopolimerleri, 8 biyo-malzemeler (örneğin, DNA), 12,13 ve sentetik fonksiyonlu polimerler içeren ve dağıtıcı ajanların çeşitli kullanılarak kovalent olmayan işlevsellik yöntemleri (örneğin, eşlenik polimer, aromatik polimer). 14,15
PEO-PPO-PEO polimerleri, iki hidrofilik poli (etilen oksit) 'dan oluşan üç bloklu kopolimerin bir tür (PEO) hem de zincir kovalent bir hidrofobik poli (propilen oksit) merkezinde (PPO), zincire bağlanmış uçları, potansiyel uzanabilir kovalent olmayan bir şekilde işlevselleştirilmiş CNTs uygulama iN sulu çözeltisi. Bu polimerler nedeniyle PEO zincirlerinin en az toksisitesi CNT yüzeylere değil aynı zamanda, sulu ortam ve diğer polimer matrisler ve muazzam biyouyumluluk sergiler için değil sadece dostu arayüz sağlamak. Biyomedikal uygulamalarda, polimer kaplı CNTs kullanımı gibi ortamlar dağıtma geniş bir aralıkta daha kolay işlenmesini kolaylaştırır. 12,16-17 Ayrıca, harici uyaranlara kendi hassas yanıtlara göre bu polimerlerin zengin termodinamik faz davranışı sağlar içi ve parçacık arası yapılar, tersine çevrilebilir şekilde ve tam olarak kontrol edilebildiği akıllı blok kopolimer-CNT hibrid nano imalatı. 18-21 Burada, bir ayarlanabilir içine alıcı katman ile CNT bazlı hibrid nanopartiküllerin üretimi için kullanılan bir protokol mevcut PEO105-PPO70-PEO105 (poloksamer 407). Elde edilen yapı, küçük açı nötron saçılımı (SAN) ile karakterize edilir. Bu çalışma introduc beklenene akıllı fonksiyonel yapı taşları kavramı ve uzman olmayanların kolayca, Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'nda detaylı karakterizasyonu için blok kopolimer fonksiyonlu CNT süspansiyonlar ve kullanım SANS hazırlamak yardımcı olur.
Protocol
Representative Results
Discussion
SANS AFM ölçümleri SWNTs başarılı-de birlikte ve ayrı ayrı, bir poloksamer 407 üçlü blok kopolimeri ile sulu çözelti içinde dağılmış olduğunu göstermiştir. Bu örnek hazırlama yönteminde, ultrasonikasyon ve santrifüj işlemleri nihai süspansiyon özelliklerinin belirlenmesine önemli adımlardır. çözelti içinde bir araya paketlemek için kaplanmamış SWNTs zorlar SWNTs arasındaki güçlü etkileşim, blok kopolimerleri bireysel SWNTs stabilize etmek için aşılması gerekmektedir. uygun b…
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).
