Dopande polymerborstar med guldnanopartiklar resulterar i ett omkopplingsbart kompositmaterial som ändrar dess tjocklek beroende på pH -värdet. Forskningen av fysiker vid TU Darmstadt, publiceras i tidskriften Mjuk materia , skulle kunna användas för att designa kemiska nanosensorer inom diagnostik eller miljöanalys.

Polymerborstar är kedjor av stora molekyler som är tätt ympade på en yta. På grund av elektrostatiska krafter, kedjorna sträcker sig från ytan och bildar ett pälsliknande lager med en tjocklek på flera hundra nanometer. För närvarande, forskning fokuserar på design av polymersystem som svarar på olika miljöstimuli såsom pH-värde, temperatur eller specifika biomarkörer. Fysiker vid TU Darmstadt och TU Berlin har för första gången visat hur tjockleken på en polymerborste kan göras omkopplingsbar genom att införliva pH-känsliga guldnanopartiklar.

"Kombinationen av polymerkedjor och guldnanopartiklar är lovande, speciellt inom medicinsk diagnostik eller miljöanalys, " säger Dikran Boyaciyan. Den 30-åriga doktoranden arbetar i gruppen "Soft Matter at Interfaces" som leds av professor Regine von Klitzing.

"Denna teknik är fortfarande i ett tidigt utvecklingsstadium. Det primära målet är hur interaktionen mellan polymersystem och nanopartiklar kan trimmas och kalibreras i en kontrollerad miljö, " Boyaciyan förklarar. Smarta polymermaterial kan användas i kemiska nanosensorer som rapporterar om toxiner eller cancerceller, övervaka parametrar för organ eller rikta frisättning av läkemedel inuti människokroppen.

Boyaciyan testade två typer av pH-okänsliga polymerer med avseende på deras utsikter för långvarig användning som sensorer:den nonjoniska PNIPAM och den katjoniska PMETAC. Den förra befanns olämplig på grund av att guldpartiklar tvättades ur borsten vid höga pH -värden. I den katjoniska PMETAC -borsten, dock, guldpartiklarna vidhäftade opåverkade av pH -förändringar.

Vidare, Boyaciyan kunde visa hur man gör en reversibel pH-växlingsbar komposit från PMETAC genom att inkorporera guldnanopartiklar och hur dess komplexbildning fungerar. I en sur miljö, partiklarna förlorar sin laddning och både partikel-partikel-interaktioner och partikel-borste-interaktioner inträffar. Detta leder till en svullen borste på grund av att dess kedjor är mindre instängda.

I kontrast, en alkalisk miljö orsakar negativa laddningar på partiklarna och interaktioner med den positivt laddade borsten är att föredra. Kedjorna kollapsar vilket resulterar i ett tunnare borstskikt.

På grund av tjockleksförändringen som också påverkar spektralkompositionen för det reflekterade ljuset, materialet skulle kunna användas som kolorimetriska nanosensorer. På grund av de extremt små dimensionerna och möjlig koppling med en miniatyriserad laser och spektrometer kunde kompositen, i framtiden, appliceras i lab-on-a-chip-system eller till och med i den mänskliga cellen.