Georgia Tech professor Zhiqun Lin undersöker en guld nanopartikel toluenlösning. Arbetet är en del av forskning om att använda stjärnformade blocksampolymerer för att skapa nanokristaller med enhetlig storlek och form. Kredit:Gary Meek
Med hjälp av stjärnformade blocksampolymerstrukturer som små reaktionskärl, forskare har utvecklat en förbättrad teknik för att producera nanokristaller med konsekventa storlekar, kompositioner och arkitekturer – inklusive metalliska, ferroelektrisk, magnetisk, halvledare och självlysande nanokristaller. Tekniken bygger på längden på polymermolekyler och förhållandet mellan två lösningsmedel för att kontrollera storleken och enhetligheten hos kolloidala nanokristaller.
Tekniken skulle kunna underlätta användningen av nanopartiklar för optiska, elektrisk, optoelektroniska, magnetisk, katalys och andra tillämpningar där noggrann kontroll över storlek och struktur är avgörande för att erhålla önskvärda egenskaper. Tekniken ger vanligt, kärna-skal och ihåliga nanopartiklar som kan göras lösliga antingen i vatten eller i organiska lösningsmedel.
"Vi har utvecklat en generell strategi för att tillverka en stor mängd nanopartiklar i olika storleksområden, kompositioner och arkitekturer, sade Zhiqun Lin, en docent vid School of Materials Science and Engineering vid Georgia Institute of Technology. "Denna mycket robusta teknik gör att vi kan skapa ett brett utbud av nanopartiklar som inte enkelt kan produceras med andra metoder."
Tekniken beskrevs i juninumret av tidskriften Naturens nanoteknik . Forskningen stöddes av Air Force Office of Scientific Research.
De stjärnformade blocksampolymerstrukturerna består av en central beta-cyklodextrinkärna till vilken flera "armar" - så många som 21 linjära blocksampolymerer - är kovalent bundna. De stjärnformade blocksampolymererna bildar de unimolekylära micellerna som fungerar som reaktionskärl och mall för bildandet av nanokristallerna.
De inre blocken av unimolekylära miceller är poly(akryl)syra (PAA), som är hydrofil, vilket gör att metalljoner kan komma in i dem. Väl inne i de små reaktionskärlen gjorda av PAA, jonerna reagerar med PAA för att bilda nanokristaller, som sträcker sig i storlek från några nanometer upp till några tiotals nanometer. Storleken på nanopartiklarna bestäms av längden på PAA-kedjan.
Georgia Tech-professor Zhiqun Lin (stående) tittar på forskaren Xinchang Pang när han ställer in det experimentella tillståndet i nanokristallsyntesen. Kredit:Gary Meek
Blocksampolymerstrukturerna kan tillverkas med hydrofila inre block och hydrofoba yttre block - amfifila blocksampolymerer, med vilken de resulterande nanopartiklarna kan lösas i organiska lösningsmedel. Dock, om både inre och yttre block är hydrofila – alla hydrofila blocksampolymerer – kommer de resulterande nanopartiklarna att vara vattenlösliga, vilket gör dem lämpliga för biomedicinska tillämpningar.
Lin och medarbetare Xinchang Pang, Lei Zhao, Wei Han och Xukai Xin fann att de kunde kontrollera nanopartiklarnas enhetlighet genom att variera volymförhållandet mellan två lösningsmedel – dimetlformamid och bensylalkohol – i vilka nanopartiklarna bildas. För ferroelektriska blytitanat (PbTiO3) nanopartiklar, till exempel, ett 9-till-1 lösningsmedelsförhållande ger de mest enhetliga nanopartiklarna.
Forskarna har också gjort järnoxid, zinkoxid, titanoxid, koppar(I)oxid, kadmiumselenid, bariumtitanat, guld, nanokristaller av platina och silver. Tekniken skulle kunna tillämpas på nästan alla övergångs- eller huvudgruppmetalljoner och organometalliska joner, sa Lin.
"Kristalliniteten hos de nanopartiklar vi kan skapa är nyckeln till många applikationer, ", tillade han. "Vi måste göra dem med bra kristallina strukturer så att de kommer att uppvisa goda fysikaliska egenskaper."
Tidigare tekniker för att producera polymera miceller med linjära blocksampolymerer har begränsats av strukturernas stabilitet och av konsistensen hos de nanokristaller som de producerar, sa Lin. Nuvarande tillverkningstekniker inkluderar organisk lösningsfassyntes, termolys av organometalliska prekursorer, sol-gel processer, hydrotermiska reaktioner och biomimetisk eller dendrimer-tempering. Dessa befintliga tekniker kräver ofta stränga villkor, är svåra att generalisera, inkluderar en komplex serie av steg, och kan inte motstå förändringar i miljön runt dem.
Georgia Tech professor Zhiqun Lin (stående) och forskaren Xinchang Pang jämför två kadmiumselenid (CdSe) nanokristaller tillverkade av Pang. Forskarna undersöker absorptionsspektra för nanokristallerna framför datorn. Kredit:Gary Meek
Däremot nanopartikelproduktionsteknik som utvecklats av Georgia Tech-forskarna är generell och robust. Nanopartiklarna förblir stabila och homogena under långa tidsperioder – så mycket som två år hittills – utan nederbörd. Sådan flexibilitet och stabilitet skulle kunna möjliggöra en rad praktiska tillämpningar, sa Lin.
"Våra stjärnliknande blocksampolymerer kan övervinna den termodynamiska instabiliteten hos konventionella linjära blocksampolymerer, " sa han. "Kedjelängden på de inre PAA-blocken dikterar storleken på nanopartiklarna, och nanopartiklarnas enhetlighet påverkas av de lösningsmedel som används i systemet."
Forskarna har använt en mängd stjärnliknande di-block och tri-block sampolymerer som nanoreaktorer. Bland dem är poly(akrylsyra)-segmentpolystyren (PAA-b-PS) och poly(akrylsyra)-blockpoly(etylenoxid) (PAA-b-PEO) disegmentsampolymerer, och poly(4-vinylpyridin)-block-poly(tert-butylakrylat)-block-polystyren (P4VP-b-PtBA-b-PS), poly(4-vinylpyridin)-block-poly (tert-butylakrylat)-block-poly(etylenoxid) (P4VP-b-PtBA-b-PEO), polystyren-block-poly(akrylsyra)-block-polystyren (PS-b-PAA-b-PS) och polystyren-block-poly(akrylsyra)-block-poly(etylenoxid) (PS-b-PAA-b) -PEO) tri-block sampolymerer.
För framtiden, Lin föreställer sig mer komplexa nanokristaller med multifunktionella skal och ytterligare former, inklusive nanorods och så kallade "Janus" nanopartiklar som är sammansatta av bifasisk geometri av två olika material.
