A method for the functionalization of carbon nanotubes with structure-tunable polymeric encapsulation layers and structural characterization using small-angle neutron scattering is presented.
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.
Koolstof nanobuisjes (CNTs) zijn holle cilindrische nanodeeltjes gevormd door het werpen van een micrometer schaal grafiet vel in een nanobuisje. Vanwege hun bijzondere mechanische, thermische en elektrische eigenschappen, zijn CNTs uitgebreid onderzocht als nieuwe kandidaat voor functionele nanodeeltjes in therapeutische en bio-sensing toepassingen en nano-vulstoffen in zelf-geassembleerde nanocomposietmaterialen. 1-3 Hun slechte oplosbaarheid en sterke voorkeur in de richting van het maken van bundels in veelgebruikte organische en waterige oplosmiddelen belemmeren gemakkelijke en milieuvriendelijke verwerking, evenals de vooruitgang in de biologische toepassingen. Daarom verschillende functionalisatie werkwijzen, zoals ultra-sonicatie, chemische oppervlaktemodificatie en non-covalente functionalisering met oppervlakteactieve stoffen en blokcopolymeren, 4-9 zijn ontwikkeld om de CNT oppervlakken aanpassen en uiteenlopende verbeteren van hun dispergeerbaarheid oplosmiddelen. Niet-covalente functionaliteitenbiliseren methoden gebaseerd op fysische oppervlaktebehandelingen, in het bijzonder, worden beschouwd als een veelbelovende en robuuste strategie, omdat elk oppervlak-modificatie geïnduceerde suppressie intrinsieke CNT eigenschappen kunnen worden geminimaliseerd. 10 Tot op heden zijn er talrijke pogingen om de dispersie efficiencyslag niet-covalente functionalisering methodes inzet van meerdere dispergerende middelen waaronder oppervlakte-actieve stoffen (bijvoorbeeld SDS, CTAB, NaDDBS), 7,11 amfifiele blokcopolymeren, 8 biomaterialen (bijvoorbeeld DNA), 12,13 en synthetische functionele polymeren (bijvoorbeeld geconjugeerd polymeer, aromatisch polymeer). 14,15
PEO-PPO-PEO-polymeren, een soort triblokcopolymeer bestaande uit twee hydrofiele poly (ethyleenoxide) (PEO) ketens aan beide uiteinden covalent gebonden aan een hydrofobe poly (propyleenoxide) (PPO) -keten in het midden, kan de mogelijke verlenging toepassing van niet-covalent gefunctionaliseerde CNTs in waterige oplossing. Deze polymeren bieden de interface, dat kinderen niet alleen de CNT gedeelten, maar ook waterige media en andere polymeermatrices en vertoont enorme biocompatibiliteit vanwege de geringe toxiciteit van het PEO ketens. Dit vergemakkelijkt gemakkelijker verwerking in een groot aantal omgevingen dispergeren en het gebruik van met polymeer beklede CNTs in biomedische toepassingen. 12,16-17 Bovendien rijke thermodynamische fasegedrag van deze polymeren op basis van hun gevoelige reacties op externe stimuli kan de fabricage van de slimme blokcopolymeer-CNT hybride nanostructuren waarin de intra- en inter-deeltje structuren kunnen reversibel en nauwkeurig worden geregeld. 18-21 Hier presenteren we een protocol voor de fabricage van CNT-gebaseerde hybride nanopartikels met een instelbare inkapseling laag PEO105-PPO70-PEO105 (poloxameer 407). De resulterende structuur wordt gekenmerkt door kleine-hoek neutronenverstrooiing (SANS). Dit werk zal naar verwachting Inleidinge het concept van slimme functionele bouwstenen en helpen niet-specialisten gemakkelijk te bereiden blokcopolymeer-gefunctionaliseerde CNT schorsingen en het gebruik SANS voor de gedetailleerde karakterisering van Oak Ridge National Laboratory.
SANS en AFM-metingen toonden aan dat SWNT succes gede-bundels en individueel gedispergeerd in waterige oplossing met een poloxameer 407 triblokcopolymeer. In dit voorbeeld bereidingswijze, ultra-sonicatie en centrifugeren processen de kritische stappen voor de eigenschappen van de uiteindelijke suspensie. De sterke wisselwerking tussen de SWNT, die onbekleed SWNT dwingt bundelen in oplossing moet worden overwonnen om de individuele SWNT stabiliseren blokcopolymeren. Een voldoende energie voor een behoorlijk lange tijd k…
The authors have nothing to disclose.
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.
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) |