Materialforskare har utvecklat en ny strategi för att tillverka endimensionella nanorods från ett brett utbud av prekursormaterial. Baserat på en cellulosaryggrad, systemet är beroende av tillväxten av "armar" av blocksampolymer som hjälper till att skapa ett fack som fungerar som en kemisk reaktor i nanometerskala. De yttre blocken på armarna förhindrar aggregering av nanoroderna.

De producerade strukturerna liknar små flaskborstar med polymer "hår" på nanorodytan. Nanoroderna varierar i storlek från några hundra nanometer till några mikrometer långa, och några tiotals nanometer i diameter. Denna nya teknik möjliggör noggrann kontroll över diametern, längd och ytegenskaper hos nanoroderna, vars optiska, elektrisk, magnetiska och katalytiska egenskaper beror på de prekursormaterial som används och dimensionerna på nanoroderna.

Nanoroderna kan ha tillämpningar inom områden som elektronik, sensoriska apparater, energiomvandling och lagring, drogleverans, och cancerbehandling. Med hjälp av deras teknik, forskarna har hittills tillverkat enhetlig metallic, ferroelektrisk, uppkonvertering, halvledande och termoelektriska nanokristaller, såväl som kombinationer därav. Forskningen, med stöd av Air Force Office of Scientific Research, rapporterades i 16 september-numret av tidskriften Vetenskap .

"Vi har utvecklat en mycket allmän och robust strategi för att tillverka ett rikt utbud av nanorods med exakt kontrollerade dimensioner, kompositioner, arkitekturer och ytkemi, sade Zhiqun Lin, professor vid School of Materials Science and Engineering vid Georgia Institute of Technology. "För att skapa dessa strukturer, vi använde icke-linjära flaskborsteliknande blocksampolymerer som små reaktorer för att malla tillväxten av en spännande mängd oorganiska nanorods."

Nanorod-strukturer är inte nya, men tekniken som används av Lins labb producerar nanorods av enhetlig storlek – som bariumtitanat och järnoxid, som ännu inte har demonstrerats via våtkemiska tillvägagångssätt i litteraturen - och mycket enhetliga kärn-skal nanorods gjorda genom att kombinera två olika material. Lin och tidigare postdoktoral forskarassistent Xinchang Pang säger att prekursormaterialen som är tillämpliga på tekniken är praktiskt taget obegränsade.

"Det finns många föregångare till olika material tillgängliga som kan användas med detta robusta system, " sa Lin. "Genom att välja ett annat yttre block i de flaskborstliknande blocksampolymererna, våra nanorods kan lösas upp och dispergeras enhetligt i organiska lösningsmedel som toluen eller kloroform, eller i vatten."

Tillverkning av nanorods börjar med funktionalisering av individuella längder av cellulosa, en billig långkedjig biopolymer skördad från träd. Varje enhet cellulosa har tre hydroxylgrupper, som är kemiskt modifierade med en bromatom. Den bromerade cellulosan tjänar sedan som makroinitiator för tillväxten av blocksampolymerarmarna med välkontrollerade längder med hjälp av atomöverföringsradikalpolymerisationsprocessen (ATRP), med, till exempel, poly(akrylsyra)-block-polystyren (PAA-b-PS) som ger cellulosa tätt ympad med PAA-b-PS (dvs. cellulosa-g-[PAA-b-PS]) som ger flaskborsten ett utseende.

Nästa steg involverar den förmånliga uppdelningen av prekursorer i det inre PAA-facket som fungerar som en nanoreaktor för att initiera kärnbildning och tillväxt av nanorods. De tätt ympade blocksampolymerarmarna, tillsammans med den styva cellulosaryggraden, ge forskare möjligheten att inte bara förhindra aggregering av de resulterande nanoroderna, men också för att hålla dem från att böjas.

"Polymererna är som långa spagetti och de vill rulla ihop sig, " Lin förklarade. "Men de kan inte göra detta i de komplexa makromolekyler vi gör eftersom med så många blocksampolymerarmar bildade, det finns inget utrymme. Detta leder till att armarna sträcker sig, bildar en mycket stel struktur."

Genom att variera kemin och antalet block i armarna på de flaskborstliknande blocksampolymererna, Lin och kollegor producerade en mängd oljelösliga och vattenlösliga nanorods, kärn-skal nanorods, och ihåliga nanorods – nanorör – av olika dimensioner och sammansättningar.

Till exempel, genom att använda flaskborsteliknande triblocksampolymerer som innehåller tätt ympade amfifila triblocksampolymerarmar, kärnan-skal nanorods kan formas av två olika material. I de flesta fallen, en stor gallermissanpassning mellan kärn- och skalmaterial skulle förhindra bildandet av högkvalitativa kärn-skalstrukturer, men tekniken övervinner den begränsningen.

"Genom att använda detta tillvägagångssätt, vi kan odla kärn- och skalmaterialen oberoende i sina respektive nanoreaktorer, ", sa Lin. "Detta tillåter oss att kringgå kravet på att matcha kristallgittren och tillåter tillverkning av en stor mängd kärna-skalstrukturer med olika kombinationer som annars skulle vara mycket utmanande att få fram."

Lin ser många potentiella tillämpningar för nanoroderna.

"Med ett brett utbud av fysikaliska egenskaper - optiska, elektrisk, optoelektroniska, katalytisk, magnetisk, och avkänning – som är känsligt beroende av deras storlek och form samt deras sammansättningar, de producerade nanoroderna är av både grundläggande och praktiskt intresse, ", sa Lin. "Möjliga tillämpningar inkluderar optik, elektronik, fotonik, magnetiska teknologier, sensoriska material och apparater, lätta konstruktionsmaterial, katalys, drogleverans, och bio-nanoteknik."

Till exempel, nanorodar av vanligt guld av olika längder kan tillåta effektiv plasmonisk absorption i det nära-infraröda området för användning vid solenergiomvandling med förbättrad skörd av solspektrum. Uppkonverteringsnanoroderna kan företrädesvis skörda IR-solfotoner, följt av absorption av emitterade högenergifotoner för att generera extra fotoström i solceller. De kan också användas för biologisk märkning på grund av deras låga toxicitet, kemisk stabilitet, och intensiv luminescens när den exciteras av nära IR-strålning, som kan penetrera vävnad mycket bättre än strålning med högre energi som ultraviolett, som ofta krävs med kvantpunktsetiketter.

Nanoroderna av guld-järnoxid kärn-skal kan vara användbara vid cancerterapi, med MRT-avbildning aktiverad av järnoxidskalet, och lokal uppvärmning skapad av den fototermiska effekten på guldnanorodkärnan som dödar cancerceller.