Forskare från IPC PAS, WUT och IRIG jämförde strukturerna för de organiska skikten som stabiliserar ZnO QDs framställda med båda metoderna (dvs den vanliga sol-gelmetoden och OSSOM-metoden utvecklad i Warszawa). Vi försökte presentera kärnan i vår forskning som a) kaotiskt arrangerad, olikfärgade händer - karakteristiskt för sol-gel-härledda ZnO QDs, och b) händer arrangerade i par, mycket regelbundet runt kärnan, vilket är karakteristiskt för ZnO QDs framställda med OSSOM-metoden. Kredit:IPC PAS, G.Krzyzewski
Nanokristallin zinkoxid (ZnO) är för närvarande ett av de mest använda nanomaterialen av halvledarmetalloxid på grund av dess unika katalytiska och elektrooptiska egenskaper. De inneboende och distinkta fysikalisk-kemiska egenskaperna hos ZnO nanostrukturer är beroende av en mängd olika faktorer som bestäms av den tillämpade syntetiska proceduren och karaktären hos det resulterande nanokristall-ligandgränssnittet. Således, beredning av stabila ZnO nanostrukturer, speciellt nanopartiklar med storlekar under 10 nm, dvs kvantprickar (QDs), med önskade fysikalisk-kemiska egenskaper är fortfarande en stor utmaning för kemister.
Nyligen, forskare från Institutet för fysikalisk kemi vid den polska vetenskapsakademin (IPC PAS) och Warszawas tekniska universitet (WUT) i samarbete med det interdisciplinära forskningsinstitutet i Grenoble (IRIG) använde dynamisk kärnpolarisation (DNP)-förstärkt kärnkraft i fast tillstånd resonans (NMR) spektroskopi för detaljerad karakterisering av de organisk-oorganiska gränssnitten av ZnO QDs framställda av den traditionella sol-gel-processen och den nyligen utvecklade en-kärl självbärande organometallic (OSSOM) proceduren. Parallellt, undersökningar utfördes på design och beredning av biostabila ZnO QDs tillsammans med bestämning av deras struktur-biologiska aktivitetsförhållande. Dessa studier publicerades i tidskrifter med hög effekt Angewandte Chemie och Vetenskapliga rapporter .
"Vi ville otvetydigt bekräfta att ZnO QDs framställda i vårt laboratorium med OSSOM-metoden är av oöverträffad hög kvalitet, " berättar medförfattaren till båda tidningarna, Dr Magorzata Wolska-Pietkiewicz. "Tills nu, ZnO QDs har vanligtvis producerats genom en sol-gel-process. Dock, den största nackdelen med denna traditionella metod är den låga reproducerbarheten, vilket sannolikt hämmar både enhetligheten av partikelmorfologi och organisk ligandskalsammansättning. Följaktligen, de resulterande nanostrukturerna är väsentligen instabila och tenderar att aggregera. Enligt min åsikt, detta har avsevärt begränsat potentiella tillämpningar av nanokristallin ZnO i olika teknologier, " tillägger Dr. Wolska-Pietkiewicz.
"Ett alternativ till den allestädes närvarande sol-gel-metoden är mycket lovande våt-organometalliska metoder. Nyligen utvecklat i vårt laboratorium, OSSOM-proceduren är baserad på kontrollerad exponering av en väldefinierad organozinkprekursor till luft. OSSOM-processen är termodynamiskt styrd och sker vid rumstemperatur, " säger professor Janusz Lewinski. För att belysa överlägsenheten hos den organometalliska metoden för framställning av ZnO QDs, både de procedurdrivna egenskaperna såväl som strukturerna hos de organiska ligandskalen hos QDs framställda med både OSSOM-metoden och sol-gel-proceduren jämfördes. För detta ändamål använde forskare DNP-NMR-metoden som utvecklas i gruppen av Dr. Gaël De Paëpe (IRIG).
"Denna NMR-teknik låter oss studera nanomaterials gränssnitt med atomär precision och på så sätt visa skillnaden mellan testade material, " fortsätter Dr. Daniel Lee och tillägger att förmågan att bestämma gränssnittets exakta karaktär och struktur ger en värdefull inblick i framtida design för nya och fullt stabila funktionella nanomaterial. Dessutom, DNP-NMR-mätningar är relativt snabba och tar bara några timmar. Det här är verkligen inte mycket, speciellt jämfört med konventionell NMR-spektroskopi, vilket (vid mätningar med jämförbar upplösning) skulle kräva ... ungefär ett år.
"The OSSOM method leads to the formation of ZnO QDs coated with strongly anchored and highly-ordered organic coatings. Contrastingly, on the surface of sol-gel derived ZnO nanostructures, coating ligand molecules are randomly distributed, " Dr. Wolska-Pietkiewicz points out. What is more, ligands could be easily removed from the surface of QDs derived from sol-gel process, changing the properties of the resulting nanomaterial. "In our method, the surface is super-protected, and QDs are stable. Som ett resultat, the OSSOM approach affords high-quality ZnO QDs with unique physicochemical properties, which are prospective for biological applications, " adds Dr. Wolska-Pietkiewicz.
The research conducted at the IPC PAS enabled resolving the vastly different nanocrystal-ligand interfaces structure of ZnO NCs. In the photo:Dr. Ma?gorzata Wolska-Pietkiewicz presenting a "perfect" ZnO nanoparticle emerging from a symbolic reaction mixture (balloons). Credit:IPC PAS, G.Krzyzewski
Why is it so important?
"This preliminary study has only just scratched the surface (pun intended) of what can be achieved, " says Dr. Lee. "We have shown that being able to study nanomaterials' surface stability at an atomic scale enables the understanding of how to provide their stability, which is extremely important from the point of view of subsequent applications:from sensors and optical devices to targeted drug delivery and nanomedicines."
"Inom en snar framtid, we could design, till exempel, safe and effective drug nanocarriers for cancer therapies, in which we would be able to deposit appropriately selected, active molecules within our ordered organic layer. Positioning is important especially for targeted therapies, t.ex. photodynamic therapy, because it allows the drug to be released evenly in a particular environment and at the right speed. Dessutom, owing to the achieved ligands ordering, we are able to pack a lot of active drug particles on a small carrier, " adds Professor Lewinski.
