Fluorescerande tetrapod -nanokristaller kan belysa vägen till framtida design av starkare polymer -nanokompositer. Ett team av forskare vid det amerikanska energidepartementet (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har utvecklat en avancerad opto-mekanisk avkänningsteknik baserad på kvantprickar av tetrapod som tillåter exakt mätning av draghållfastheten hos polymerfibrer med minimal påverkar fiberns mekaniska egenskaper.

I en studie ledd av Paul Alivisatos, Berkeley Lab -chef och Larry and Diane Bock -professor i nanoteknik vid University of California (UC) Berkeley, forskargruppen införlivade i polymerfibrer en population av tetrapodkvantprickar (tQD) som består av en kadmium-selenid (CdSe) kärna och fyra kadmiumsulfid (CdS) armar. tQDerna införlivades i polymerfibrerna via elektrospinning, bland dagens ledande tekniker för bearbetning av polymerer, där ett stort elektriskt fält appliceras på droppar av polymerlösning för att skapa mikro- och nanostorlekar. Detta är den första kända tillämpningen av elektrospinning på tQDs.

"Elektrospinningsprocessen tillät oss att lägga en enorm mängd tQDs, upp till 20 viktprocent, in i fibrerna med minimal effekt på polymerens bulkmekaniska egenskaper, "Alivisatos säger." TQD:erna kan fluorescerande övervaka inte bara enkel enaxlig stress, men stressavslappning och beteende under cykliska varierande belastningar. Vidare, tQD:erna är elastiska och återhämtningsbara, och genomgår ingen permanent förändring av avkänningsförmågan även vid många cykler av laddning till misslyckande. "

Alivisatos är motsvarande författare till en artikel som beskriver denna forskning i tidskriften Nano bokstäver med titeln "Tetrapod -nanokristaller som fluorescerande stressprober för elektrospunna nanokompositer." Medförfattare var Shilpa Raja, Andrew Olson, Kari Thorkelsson, Andrew Luong, Lillian Hsueh, Guoqing Chang, Bernd Gludovatz, Liwei Lin, Ting Xu och Robert Ritchie.

Polymer -nanokompositer är polymerer som innehåller fyllmedel av nanopartiklar dispergerade genom polymermatrisen. Uppvisar ett brett utbud av förbättrade mekaniska egenskaper, dessa material har stor potential för ett brett spektrum av biomedicinska och materialanvändningar. Dock, rationell design har hämmats av en brist på detaljerad förståelse för hur de reagerar på stress på mikro- och nanoskala.

"Att förstå gränssnittet mellan polymeren och nanofyllmedlet och hur spänningar överförs över den barriären är avgörande för reproducerbart syntetisering av kompositer, " säger Alivisatos. "Alla etablerade tekniker för att tillhandahålla denna information har nackdelar, inklusive förändring av polymerens molekylära sammansättning och struktur och potentiellt försvagade mekaniska egenskaper såsom seghet. Det har därför varit av stort intresse att utveckla optiska luminescerande spänningsavkännande nanopartiklar och hitta ett sätt att bädda in dem i polymerfibrer med minimal påverkan på de mekaniska egenskaperna som avkänns."

Berkeley Lab -forskarna mötte denna utmaning genom att kombinera halvledartQD för CdSe/CdS, som utvecklades i en tidigare studie av Alivisatos och hans forskargrupp, med elektrospinning. CdSe/CdS tQDs är exceptionellt väl lämpade som nanoskala stresssensorer eftersom en applicerad stress kommer att böja armarna på tetrapoderna, orsakar en förändring i färgen på deras fluorescens. Det stora elektriska fältet som används vid elektrospinning resulterar i en enhetlig spridning av tQD -aggregat genom polymermatrisen, därigenom minimerar bildningen av spänningskoncentrationer som skulle verka för att försämra polymerens mekaniska egenskaper. Elektrospinning gav också en mycket starkare bindning mellan polymerfibrerna och tQD:erna än en tidigare diffusionsbaserad teknik för att använda tQD som stressprober som rapporterades för två år sedan av Alivisatos och hans grupp. Mycket högre koncentrationer av tQD kan också uppnås med elektrospinning snarare än diffusion.

När stress applicerades på polymernanokompositerna, elastiska och plastiska deformationsområden observerades lätt som en förskjutning i fluorescensen av tQD även vid låga partikelkoncentrationer. När partikelkoncentrationerna ökade, ett större fluorescensskifte per enhetsstam observerades. tQD:erna fungerade som icke-störande sonder som tester visade att de inte negativt påverkade polymerfibrernas mekaniska egenskaper på något betydande sätt.

"Vi utförde mekaniska tester med en traditionell dragprovningsmaskin med alla våra typer av polymerfibrer, "säger Shilpa Raja, en huvudförfattare till Nano bokstäver papper tillsammans med Andrew Olson, båda medlemmar i Alivisatos forskargrupp. "Medan tQD utan tvekan ändrar fiberns sammansättning - det är inte längre ren polymjölksyra utan istället en komposit - fann vi att de mekaniska egenskaperna hos kompositen och kristalliniteten hos polymerfasen visar minimal förändring."

Forskargruppen anser att deras tQD-sonder bör visa sig vara värdefulla för en mängd olika biologiska, bildbehandling och materialtekniktillämpningar.

"En stor fördel vid utvecklingen av nya polymer-nanokompositer skulle vara att använda tQD:er för att övervaka spänningsuppbyggnader före materialfel för att se hur materialet misslyckades innan det faktiskt gick sönder, "säger medförfattaren Olson." TQD:erna kan också hjälpa till med utvecklingen av nya smarta material genom att ge inblick i varför en komposit antingen aldrig uppvisade en önskad nanopartikelegenskap eller slutade visa den under deformation från normal användning. "

För biologiska tillämpningar, tQD reagerar på krafter på nanoNewton-skalan, som är mängden kraft som utövas av levande celler när de rör sig runt i kroppen. Ett utmärkt exempel på detta är metastaserande cancerceller som rör sig genom den omgivande extracellulära matrisen. Andra celler som utövar kraft inkluderar fibroblaster som hjälper till att reparera sår, och kardiomyocyter, muskelcellerna i hjärtat som slår.

"Alla dessa typer av celler är kända för att utöva nanoNewton-krafter, men det är väldigt svårt att mäta dem, "Raja säger." Vi har gjort preliminära studier där vi har visat att kardiomyocyter ovanpå ett lager tQD kan induceras att slå och tQD -skiktet kommer att visa fluorescerande skift på platser där cellerna slår. Detta skulle kunna utvidgas till en mer biologiskt relevant miljö för att studera effekterna av kemikalier och läkemedel på metastasering av cancerceller."

En annan spännande potentiell tillämpning är användningen av tQDs för att göra smarta polymera nanokompositer som kan känna av när de har sprickor eller håller på att spricka och kan stärka sig som svar.

"Med vår teknik kombinerar vi två fält som vanligtvis är separata och aldrig har kombinerats på nanoskala, optisk avkänning och mekanisk avstämning av polymer nanokomposit, " säger Raja. "Eftersom tetrapoderna är otroligt starka, storleksordningar starkare än typiska polymerer, i slutändan kan de skapa starkare gränssnitt som kan självrapportera förestående fraktur."