(Phys.org) – En grupp forskare från flera institutioner har fäst tiolterminerade polymerer till guldnanopartiklar och skapat ytmiceller genom att ändra lösningsmedlet från ett som är gynnsamt för polymeren till ett som är mindre gynnsamt.

Rachelle M. Choueiri, et al. har visat att nanopartikelytmönstring, från ytaggregation av polymerer till "lappar, " kan termodynamiskt styras via ändrade polymeregenskaper och lösningsmedelsegenskaper. Dessutom, ytmönstret kan låsas på plats genom tvärbindning av polymeren. Deras arbete visas i Natur .

Tredimensionella ytmönstrade partiklar har visat sig användbara som modeller för kolloidala analoger av reaktiva material och fasövergångar i vätskesystem, samt kolloidala ytaktiva ämnen och mallar för att syntetisera hybridpartiklar. Tidigare forskning har visat få exempel på kolloidala fläckiga partiklar på nanometernivå. Även när fläckar kan bildas på denna nivå, det finns vanligtvis inte mer än två fläckar per nanopartikel.

I den aktuella forskningen kan polymermolekyler bundna till guld nanopartiklar ändras från en enhetlig fördelning (dvs. en polymerborste) till ytstiftade miceller via termodynamiska processer. Specifikt, man kan kontrollera storleken på lapparna genom att ändra polymerdimensionerna och ympdensiteten. Man kan kontrollera antalet lappar per nanopartikel genom att justera förhållandet mellan nanopartikeldiameter och polymerstorlek.

Det första steget var att se om ett byte av lösningsmedlet kan driva på bildandet av polymerlappar. Choueiri, et al. tillverkade guldnanopartiklar med diametrar i intervallet 20 ± 1,0 nm och 80 ± 1,5 nm med tiolterminerade polystyrener. Polystyrenerna hade antingen en molekylmassa på 29, 000 Dalton eller 50, 000 Dalton för att se om molekylvikten spelade en roll vid bildning av fläckar. Nanopartiklarna dispergerade i DMF, som är ett bra lösningsmedel för polystyren, belades med ett jämnt tjockt skikt. De uppvisade likformigt tjock polymerdispersion. När vatten, ett dåligt lösningsmedel, lades till, polymerskiktet förvandlades till fläckar, som var reversibel vid tillsats av DMF. Lappstorlek och antal per nanopartikel kan styras av polymerens molekylvikt.

Med tanke på dessa resultat, Choueiri, et al. sedan utforskade vad som skulle hända om de ändrade nanopartikeldiametern, polystyrenlängden, och densiteten av polystyrenpolymerer bundna till ytan. I allmänhet, deras studier visade att lappstorleken kan styras av polymerlängden och ytdensiteten medan antalet lappar per nanopartikel kan kontrolleras genom att ändra nanopartikeldiametern och längden på polymeren. Teoretiska studier bekräftade att den termodynamiska komponenten i ytmönstren berodde på polymer- och lösningsmedelsinteraktioner och hur mycket polymeren kan sträcka sig från sitt bundna läge till ytfläcken.

Nästa steg var att se om ytformen förändrade ytmönstret. Choueiri, et al. tittade på polymersegregering på nanorods, nanokuber, och triangulära nanoprismor. De fann att fläckar tenderade att bildas vid spetsarna av nanoroderna och på kanterna av nanokuben och triangulära nanoprismor. Dessutom, de testade andra polymerer än polystyren och fann att vissa av dessa polymerer bildade fläckar på guldnanosfärer efter att ha ändrat vissa lösningsmedelsegenskaper, såsom pH eller hydrofobicitet.

Till sist, de testade självmontering av fläckiga nanopartiklar i ett dåligt lösningsmedel. De fann att efter tillräckligt med tid, de mönstrade nanopartiklarna uppvisade nya bindningsmodaliteter i DMF blandat med vatten.

Nanokuberna, särskilt, visade en unik "schackbräde" självmonterad struktur. Detta skiljer sig från när nanokuberna var jämnt belagda med polystyren och sedan lösningsmedelsbyten gjordes. I detta fall, mönstret var "ansikte mot ansikte" snarare än schackbräde.

This research provides a new way to pattern nanoparticle surfaces that is versatile and tunable to the desired number of patches and nanoparticle shapes. Future research will involve exploring more nanoparticle shapes and polymer systems to see how this strategy can produce unique self-assembled structures and tailor new functionalities to patchy nanoparticles.

© 2016 Phys.org