Ett illustrerat tvärsnitt av ett nanorör UB skapade kemister. De gröna strukturerna är negativt laddade karboxylsyragrupper, som hjälper till att fånga positivt laddade partiklar.
(PhysOrg.com) -- Genom att använda smart men elegant design, University at Buffalo kemister har syntetiserat små, molekylära burar som kan användas för att fånga och rena nanomaterial.
Skulpterad av en speciell sorts molekyl som kallas en "flaskborstemolekyl, "fällorna består av små, organiska rör vars innerväggar bär en negativ laddning. Denna funktion gör det möjligt för rören att selektivt inkapsla endast positivt laddade partiklar.
Dessutom, eftersom UB-forskare konstruerar rören från grunden, de kan skapa fällor av olika storlekar som fångar molekylära byten av olika storlekar. Nivån på möjlig finjustering är anmärkningsvärd:I Journal of the American Chemical Society , forskarna rapporterar att de kunde tillverka nanorör som fångade partiklar med en diameter på 2,8 nanometer, samtidigt som partiklarna bara 1,5 nanometer större lämnas orörda.
Dessa typer av burar kan användas, i framtiden, att påskynda tråkiga uppgifter, som att separera stora kvantprickar från små kvantprickar, eller separera proteiner efter storlek och laddning.
"Formerna och storlekarna på molekyler och nanomaterial dikterar deras användbarhet för önskade tillämpningar. Våra molekylära burar kommer att tillåta en att separera partiklar och molekyler med förutbestämda dimensioner, skapa enhetliga byggstenar för tillverkning av avancerade material, sa Javid Rzayev, UB biträdande professor i kemi som ledde forskningen.
"Precis som en entreprenör vill att kakelrutor eller tegelstenar ska ha samma storlek så att de passar bra ihop, forskare är ivriga att producera nanometerstora partiklar med samma dimensioner, som kan gå långt för att skapa enhetliga och väluppfostrade material, " sa Rzayev.
En transmissionselektronmikroskopibild av de organiska nanorörsfällorna, med färg lagt till genom digital förbättring.
För att skapa fällorna, Rzayev och hans team konstruerade först en speciell sorts molekyl som kallas en flaskborstemolekyl. Dessa liknar en rund hårborste, med molekylära "borst" som sticker ut hela vägen runt en molekylär ryggrad.
Efter att ha sytt ihop borsten, forskarna urholkade mitten av varje flaskborstemolekyl, lämnar efter sig en struktur formad som ett toalettpappersrör.
Snideriprocessen använde enkel men smart kemi:När man byggde sina flaskborstemolekyler, forskarna konstruerade hjärtat av varje molekyl med hjälp av molekylära strukturer som sönderfaller när de kommer i kontakt med vatten. Runt denna kärna, forskarna fäste sedan ett lager av negativt laddade karboxylsyragrupper.
För att skulptera molekylen, forskarna doppade sedan ner det i vatten, i själva verket urholkar kärnan. Den resulterande strukturen var fällan - ett nanorör vars inre väggar var negativt laddade på grund av närvaron av de nyligen exponerade karboxylsyragrupperna.
För att testa rörens effektivitet som fällor, Rzayev och kollegor designade en serie experiment som involverade en kemisk cocktail i två lager.
Cocktailens bottenskikt bestod av en kloroformlösning innehållande nanorören, medan det översta lagret bestod av en vattenbaserad lösning innehållande positivt laddade färgämnen. (Som i en tequila soluppgång, desto tunnare, vattenbaserad lösning flyter ovanpå den tätare kloroformlösningen, med lite blandning.)
När forskarna skakade cocktailen i fem minuter, nanorören kolliderade med och fångade färgämnena, föra in färgämnena i kloroformlösningen. (Färgämnena, själva, löses inte i kloroform.)
I liknande experiment, Rzayev och hans team kunde använda nanorören för att extrahera positivt laddade molekyler som kallas dendrimerer från en vattenlösning. Nanorören tillverkades så att dendrimerer med en diameter på 2,8 nanometer fångades, medan dendrimerer som var 4,3 nanometer tvärs över lämnades i lösning.
För att ta bort de fångade dendrimererna från nanorören, forskarna sänkte helt enkelt kloroformlösningens pH, som stänger av den negativa laddningen inuti fällorna och gör att de fångade partiklarna kan släppas ut från sina burar.
Forskningen om nanorör är en del av en större serie studier som Rzayev genomför på flaskborstemolekyler med hjälp av ett National Science Foundation CAREER-pris. Hans andra arbete inkluderar tillverkning av flaskborstebaserade nanomembran som kan anpassas för vattenfiltrering, och monteringen av skiktade, flaskborstepolymerer som reflekterar synligt ljus som en fjärils vingar gör.
