Funksjonalisering av enkelt vegger karbonnanorør med Thermo-reversible blokkopolymerer og Karakterisering av Small-vinkel nøytronspredning

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 nanorør (CNTs) er hule sylindriske nanopartikler dannet ved å rulle en mikrometer-skala grafitt ark i et nanorør. På grunn av sine ekstraordinære mekaniske, termiske og elektriske egenskaper, har CNTs blitt grundig undersøkt som en roman kandidat til funksjonelle nanopartikler i terapeutiske og bio-sensing applikasjoner samt nano fyllstoff i selv montert nanocomposite materialer. ^1-3 Men deres dårlig løselighet og sterk preferanse mot å gjøre bunter i vanlig brukte organiske og vandige løsningsmidler hindre enkel og miljøvennlig behandling samt fremskritt i biologiske anvendelser. Derfor er en rekke funksjonalise metoder, slik som ultra-sonikering, kjemisk overflatemodifikasjon, og ikke-kovalent funksjonalisering ved bruk av overflateaktive midler og blokk-kopolymerer, ^4-9 har blitt utviklet for å modifisere CNT flater og forbedre deres dispergerbarhet i en lang rekke løsemidler. Ikke-kovalent funksjonellelization metoder basert på fysiske overflatebehandlinger, i særdeleshet, er ansett for å være en lovende og robust strategi, fordi enhver overflate-modifikasjon indusert undertrykkelse i indre CNT egenskaper kan minimeres. ¹⁰ Hittil har det vært en rekke tiltak for å forbedre spredning effektivitet av ikke-kovalente funksjonalise metoder ved hjelp av ulike typer spredt agenter inkludert grunnleggende tensider (f.eks SDS, CTAB, NaDDBS), ^7,11 amfifile blokk-kopolymerer, ⁸ bio-materialer (f.eks DNA), ^12,13 og syntetiske funksjonelle polymerer (for eksempel konjugert polymer, aromatisk polymer). ^14,15

PEO-PPO-PEO-polymerer, en form for triblokk-kopolymer som består av to hydrofile poly (etylenoksid) (PEO) kjeder ved begge ender som er kovalent bundet til en hydrofob poly (propylenoksyd) (PPO) kjede på midten, kan forlenge den potensielle anvendelsen av ikke-kovalent funksjon CNTs jegN vandig løsning. Disse polymerer gir grensesnittet, som er vennlig ikke bare til CNT flater, men også til vandige medier og andre polymermatrikser og oppviser enorm biokompatibilitet på grunn av minimal toksisitet av PEO-kjeder. Dette muliggjør enklere behandling i et bredt spekter av dispergere miljøer, så vel som anvendelse av polymerbelagte CNTs i biomedisinske anvendelser. ^12,16-17 Videre er rik termodynamiske faseoppførsel av disse polymerer basert på deres sensitive reaksjoner på ytre stimuli muliggjør fabrikasjon av de smarte blokk-kopolymer-CNT hybridnanostrukturer hvori intra- og inter-partikkelstrukturer kan reversibelt og nøyaktig kontrollerte. ^18-21 Her presenterer vi en protokoll for fabrikasjon av CNT-baserte hybrid nanopartikler med en fleksibel innkapsling lag av PEO105-PPO70-PEO105 (poloxamer 407). Den resulterende strukturen er karakterisert ved liten vinkel nøytronspredning (SANS). Dette arbeidet forventes å introduksjonere begrepet smarte funksjonelle byggesteinene og hjelpe ikke-spesialister enkelt lage blokk-kopolymer-funksjon CNT suspensjoner og bruk SANS for detaljert karakterisering ved Oak Ridge National Laboratory.

Protocol

Merk: Denne protokollen krever spesiell omsorg i håndtering av nanomaterialer. Som kjøpt enkelt vegger karbon nanorør (SWNTs) finnes i form av fint pulver og derfor bør de betraktes som nano farlig materiale før spre dem i vandige løsninger. Bruk egnet sikkerhetsutstyr beskrevet i sikkerhetsdatablad (MSDS). 1. Utarbeidelse av Poloxamer 407 / SWNT vandige suspensjoner Merk: Fortsett med alle prøveopparbeidelse prosedyrer på en lavere temperatur enn den kriti…

Representative Results

Poloxamer 407-belagt SWNT nanorod suspensjoner ble fremstilt ved bruk av prøvefremstillingsmetode (figur 4), som kan deles opp i to viktige prosesser; den fysiske adsorpsjon fremgangs poloksamer 407 på SWNT overflater ved hjelp av ultra-sonikering, og fraksjoneringsprosess av individuelt-stabiliserte SWNTs fra medfølgende aggregater ved hjelp av sentrifugering. De SANS spredningsintensitet ble oppnådd for …

Discussion

SANS og AFM målinger viste at SWNTs har blitt de-buntet og individuelt dispergert i vandig løsning ved hjelp av en poloksamer 407 triblokk copolymer. I denne prøvefremstillingsmetode, ultra-sonikering og sentrifugeringsprosesser er de kritiske trinn som bestemmer egenskapene til den endelige suspensjon. Den sterke samspillet mellom SWNTs, noe som tvinger ubestrøket SWNTs å pakke sammen i løsningen, må overvinnes for å stabilisere de enkelte SWNTs med blokk-kopolymerer. Tilveiebringe et tilstrekkelig energi for e…

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)