Polydopamin (PDA) är ett avancerat funktionsmaterial och dess framträdande ljusabsorberande egenskaper gör det avgörande för tillämpningar inom materialvetenskap. Dock, det är utmanande att rationellt utforma och reglera PDA-absorptionsegenskaper på grund av dess komplexa arkitektur. I en ny rapport, Yuan Zou och ett team av forskare inom polymervetenskap, optoelektroniska material och fysikalisk kemi i Kina föreslog en enkel metod för att reglera ljusabsorptionsbeteendet hos PDA. För att åstadkomma detta, de konstruerade donator-acceptor-par i mikrostrukturerna via kopplingar mellan specifika kemiska delar. De använde sedan detaljerad struktur- och spektralanalys samt simuleringar av densitetsfunktionsteori (DFT) för att bekräfta förekomsten av sådana donator-acceptor-molekylpar. Molekylparen kan minska energibandgapet (eller energigap där inga elektroner finns) och öka elektrondelokaliseringen för att förbättra ljusabsorptionen över ett brett spektrum. Den rationella designen av PDA-nanopartiklar med inställbara absorptionsegenskaper möjliggjorde en förbättrad fototermisk effekt, vilket teamet visade med utmärkta prestationer under solavsaltning. Verket är nu publicerat på Vetenskapens framsteg .

Polydopamin

Inspirerad av de bio-makromolekylära pigmenten av melanin, polydopamin (PDA) har fått ökad uppmärksamhet för applikationer inom ytteknik, fototermisk terapi och bioavbildning. De starka vidhäftande och ljusabsorberande egenskaperna hos PDA kan också gynna gränssnittsteknik under vattensanering. Forskare har föreslagit många syntetiska metoder för att framställa nanomaterial för handdatorer, men med begränsad uppmärksamhet för att reglera dess absorptionsspektrum. Dopaminpolymerisationsprocessen är sammansatt av flera komplicerade vägar och är därför inte helt förstådd. Som ett resultat, Zou et al. antog att konstruktionen av mycket konjugerade strukturer i förhållande till donator-acceptorpar i PDA-nanostrukturerna kunde reglera provets absorptionsspektrum. För att åstadkomma det i detta arbete, de utvecklade en enpotssyntesstrategi för att syntetisera PDA-nanopartiklar (NP) med inställbara ljusabsorptionsegenskaper.

Syntes och karaktärisering

Under syntesprocessen, de genomförde direkt sampolymerisation av 2, 2, 6, 6-Tetrametylpiperidin-1-oxyl (TEMPO) – en typisk nitroxylradikal, på dopamin i en vattenlösning. De dopade TEMPO-delen till polydopaminmikrostrukturen genom att kovalent koppla molekylen med 5, 6-dihydroxiindol (DHI) och indol-5, 6-kinon (IQ) oligomerer för att minska materialets energibandgap och förbättra ljusabsorptionsbeteendet hos konventionella polydopaminnanopartiklar (PDA NP). Forskarna bekräftade resultaten genom att använda elektrokemisk analys, densitetsfunktionella teorisimuleringar och spektralmätningar. Arbetet visade en enastående fototermisk effektivitet för produkten som kan användas i gränssnittssolånggenerering och avsaltning av havsvatten.

Forskarna utvecklade tre typer av PDA NP (klassificerade mellan 1 till 3) med olika dopningsinnehåll och liknande partikelstorlekar genom att justera den initiala koncentrationen av TEMPO. De syntetiserade konventionella PDA NP genom självpolymerisation av dopamin i närvaro av ammonium med hjälp av en väletablerad metod. De observerade de resulterande PDA-provets egenskaper med hjälp av svepelektronmikroskopi, dynamisk ljusspridning och Fourier-transformation infraröda spektra (FTIR). Med hjälp av röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS), de bekräftade förekomsten av kol, kväve, och syreelement i alla PDA-prover som lyfter fram den framgångsrika beredningen av TEMPO-dopade PDA NP. Baserat på resultaten, Zou et al. antog två möjliga vägar för att bilda den tvärbundna makromolekylära strukturen.

Förbättrad ljusabsorption och fototermiskt beteende hos TEMPO-dopade handdatorer.

Teamet undersökte ljusabsorptionskapaciteten och den totala fototermiska effekten av dessa TEMPO-dopade PDA NP, där produkten kraftigt absorberade ljus genom att fånga upp och omvandla solenergi till värmeenergi effektivt med breda tillämpningar. Under ytterligare tester, de spred PDA-3 i vatten i flera koncentrationer för bestrålning under laser. Jämfört med många andra enastående fototermiska material, de TEMPO-dopade PDA NP:erna visade bättre fototermiskt beteende. Till exempel, Zou et al. noterade hur guldnanopartiklar kunde drabbas av betydande förlust av ljusabsorbans efter långvarig bestrålning på grund av strukturell förstörelse via den åtföljande värmen från de experimentella förhållandena. Teamet visade i kontrast hur TEMPO-dopade PDA NP:er bibehöll förbättrad ljusabsorptionsförmåga med förbättrade fototermiska beteenden jämfört med konventionella fototermiska nanomaterial. Det resulterande materialet kan fungera som ny generation fototermiska medel för att fullborda en mängd olika tillämpningar.

Analysera strukturen och regleringen av absorptionsegenskaper hos TEMPO-dopad PDA

Forskarna noterade den spontana bildningen av donator-acceptor-mikrostrukturer i det TEMPO-baserade PDA-systemet på grund av kemisk konjugering mellan TEMPO och DHI, IQ och deras oligomerer under polymerisationsprocessen. Denna reaktion bidrog till det lägre energibandgapet och förbättrad ljusabsorption av produkten. För att verifiera detta, de beräknade det optiska bandgapvärdet för olika PDA-prover i deras vattenlösningsformer tillsammans med deras elektrokemiska cykliska voltammetri (CV) för att undersöka energibandgap för alla prover. De etablerade den högsta ockuperade molekylära orbitalen (HOMO) och den lägsta lediga molekylära orbitalen (LUMO) med hjälp av CV-mätningarna och etablerade TEMPO-enheten som ett donatorfragment. När dopningskoncentrationen av TEMPO ökade, IQ-delen ökade också gradvis, vilket resulterar i bättre delokalisering av elektroner för förbättrad ljusabsorption. Teamet antog en ökning av fria radikaler under PDA-syntes via TEMPO-dopning, som de testade och verifierade med hjälp av mätningar av elektronparamagnetisk resonans (EPR). Eftersom de excitoninducerade absorptionsspektra (EIA) inte var beroende av mängden TEMPO som dopats för att bilda föreningen, teamet tillskriver det i stora drag förekomsten av excitoner i dess ytterligare beståndsdelar (som DHI, IQ).

Tillämpningar av vattenavsaltning

De utmärkta fototermiska och ljusabsorberande egenskaperna hos TEMPO-baserad PDA gjorde materialet väl lämpat för applikationer inom vattenånggenerering och avsaltning av havsvatten. Av de olika proverna, Zu et al. valde PDA-3 som den mest lovande kandidaten för att utveckla förångningsanordningen. För att åstadkomma detta, de avsatte PDA-3 vattenlösningen på ett cellulosamembran som en hydrofil ljusabsorbator och förhindrade direkt kontakt med vatten genom att använda ett värmeisoleringsskikt såsom polystyren. När Zou et al. exponerade experimentupplägget för solstrålning, de renade vatten genom att samla upp kondenserat vatten från solångan. Det PDA-3-belagda cellulosamembranet visade förbättrad ljusabsorption jämfört med kontrollprover. Konstruktionen absorberade en majoritet av solenergin i de UV- och synliga områdena. För att förstå solångsgenerering och fototermisk avdunstning, de mätte viktförlusten av vatten under avdunstning och ansåg energiomvandlingseffektiviteten som ett viktigt index. Resultaten indikerade anordningens genomförbarhet för avsaltning tillsammans med effektiv och hållbar aktivitet.

På det här sättet, Yuan Zou och kollegor föreslog en enkel metod för att reglera absorptionsspektrumet av polydopamin (PDA) i en polymerisationsprocess i en pott i närvaro av dopamin och TEMPO. De resulterande nanopartiklarna hade förbättrad ljusabsorptionsförmåga och fototermiska effekter jämfört med konventionella PDA-nanomaterial på grund av donator-acceptor-strukturerna i PDA-systemet. När de belade den resulterande TEMPO-baserade handdatorn på cellulosafilmen, Konstruktionen fungerade som en solljusabsorbent lämpad för vattenavdunstning med en hög effektivitet för solomvandling och utmärkt avdunstning. Arbetet kommer att erbjuda nya möjligheter för strukturella och funktionella nanomaterial för handdatorer som är lämpade för ljusskördande applikationer.

© 2020 Science X Network