Bahan struktur nanosteng dua dimensi dengan saiz terkawal dan sifat permukaan diperolehi • Gregory Molev • Berita Sains mengenai "Unsur" • Nanoteknologi, Kimia

Tenaga nanostruktur dua dimensi dengan saiz terkawal dan sifat permukaan diperolehi.

Rajah. 1. Skim memperoleh micelles segiempat tepat dengan ketebalan 20 nm dengan kawasan permukaan terkawal. Struktur ini diperolehi dengan menambah satu kopolimer blok (BSP) dengan bahagian semi-kristal pendek (polyferrocenylsilane, PPS) dicampur dengan PPS tulen kepada micelles silinder pendek berdasarkan PPS. Gambar dari artikel dibincangkan diSains

Ahli kimia British dan Kanada buat kali pertama berjaya dengan perhimpunan diri untuk mendapatkan struktur nanosteng segi empat tepat dua dimensi dengan kawalan penuh ke atas kawasan dan komposisi kimia permukaan mereka. Kejayaan dicapai dengan menggunakan copolymers blok dengan blok separa kristal, mencari nisbah hak panjang blok dan menambah rantai bebas polimer separa kristal ke penyelesaian. Teknologi ini pada masa akan datang berguna untuk digunakan dalam tomografi fluorescent, nanoelektronik, pemangkinan, kristal cecair, nano- dan micromachine mudah alih, atau pembawa terapeutik.

Pada akhir abad ke-20, menjadi jelas bahawa zarah nano (saiz 1-100 nm dalam sekurang-kurangnya satu dimensi) mempunyai sifat yang tidak muncul di macroworld. Ini berlaku kerana, apabila saiz zarah berkurangan ke tahap nanoscale, sumbangan sifat permukaan ke sifat objek menjadi penting.Satu lagi sebab untuk perubahan sifat adalah bahawa undang-undang mekanik kuantum ditunjukkan pada tahap nanoscale. Oleh itu, apabila pada tahun 2004 sampel pertama graphene diperolehi oleh sekumpulan ahli fizik yang diketuai oleh Andrei Geim dan Konstantin Novoselov, ternyata bahawa struktur dua dimensi itu mampu mempamerkan sifat elektronik yang menakjubkan yang secara kualitatif berbeza dari semua yang diperhatikan sebelumnya. Hari ini, beratus-ratus kumpulan eksperimen menjelajah sifat-sifat elektronik graphene.

Ia adalah yang paling mudah untuk mengklasifikasikan nanopartikel mengikut tahap pengurangan dimensi: dua dimensi – pesawat kuantum, satu dimensi – benang kuantum, dan sifar-dimensi – titik kuantum. Seluruh spektrum dimensi yang dikurangkan dengan mudah dijelaskan menggunakan nanopartikel karbon sebagai contoh (Rajah 2).

Rajah. 2 Nanopartikel karbon. Dari kiri ke kanan: fullerene sifar dimensi, nanotube karbon satu dimensi, grafik dua dimensi. Imej dari surrealsciencestuff.wordpress.com

Dunia nanoteknologi, tentu saja, tidak terhad kepada karbon: hampir mana-mana bahan nano dalam caranya sendiri adalah luar biasa dan berpotensi menarik. Bagaimana untuk mendapatkannya? Kaedah kimia yang terkenal biasanya sesuai untuk menghasilkan nanomaterials nadi dimensi (titik kuantum).untuk titik kuantum biasanya hanya molekul yang besar. Untuk mendapatkan bahan-bahan satu dan dua dimensi memerlukan pendekatan baru. Perlu diingat bahawa dalam pengukuran di mana bahan bukan nanoscale (di mana dimensinya lebih besar daripada 100 nm), secara teorinya mungkin menggantikan komposisi permukaan dan dengan itu mendapatkan bahan-bahan yang lebih menarik untuk aplikasi yang berbeza. Walau bagaimanapun, sangat sukar untuk mengubahsuai bahan kimia dan lain-lain bahan yang serupa. Penciptaan struktur nano dua dimensi dengan dimensi terkawal dan komposisi kimia permukaan adalah salah satu masalah nanoteknologi yang tidak dapat diselesaikan. Dengan penemuan graphene, bidang penyelidikan ini mendapat dorongan yang serius, tetapi, selain beberapa contoh, masalah ini masih belum dapat diselesaikan hingga ke hari ini.

Makromolekul sendiri dalam penyelesaian ialah kaedah yang paling elegan, mudah dan ekonomik untuk menghasilkan nanomaterials, dan kaedah ini secara teorinya membolehkan struktur mencipta komposisi permukaan terkawal jika anda menggantikan makromolekul yang ditambah kepada larutan.

Sekumpulan saintis dari University of Bristol (UK) dan Universiti Toronto (Kanada), diilhamkan oleh kejayaan baru-baru ini dalam mengawal struktur nano satu dimensi (lihatSatu kaedah untuk mendapatkan nanopartikel bukan-centrosymmetric, Element, 17.08.2012), dicapai melalui pengumpulan diri copolymers blok (BSP), di mana salah satu blok adalah polyferrocenylsilane semikristal (PPS), cuba menggunakan pendekatan yang sama untuk mendapatkan struktur nanost dua dimensi.

Ingat bahawa BSP adalah polimer di mana dua bahagian (dua blok) atau lebih terdiri daripada monomer yang berbeza. Penyusunan sendiri copolymers blok dalam penyelesaian berlaku kerana kelarutan yang berbeza dari kedua-dua bahagian. Semi-crystallinity adalah keupayaan polimer untuk menjernihkan, iaitu, untuk melipat secara teratur. Prefix "semi-" diperlukan di sini, kerana apabila polimer dilipat ke dalam serpihan kristal, tidak berciri (amorf) sentiasa ada.

Rajah. 3 Polimer yang disebut dalam teks, mengikut susunan penampilan mereka. Indeks berangka n nama polimer bermakna tahap pempolimeran – bilangan purata unit monomer dalam molekul polimer. Nitrogen pada cincin piridin dalam P2VP dapat mengikat dengan logam dan beberapa molekul lain – suatu harta yang digunakan oleh pengarang artikel (lihat di bawah dalam teks)

Kejayaan dengan struktur satu dimensi disebabkan oleh fakta bahawa bahagian semikristalin kopolimer blok jauh lebih pendek daripada bahagian larut. Apabila pemasangan diri, rantai larut BSP yang panjang pada permukaan mikro yang terbentuk, mengganggu satu sama lain, tidak membenarkan struktur yang dibuat dan benang diperolehi. Apabila memendekkan rantai larut dalam BSP, micelles sama ada tidak berfungsi sama sekali atau dicetuskan.

Kemudian mereka memutuskan untuk bereksperimen dengan pemasangan diri campuran BSP dengan bahagian larut yang panjang dan polyferrocenylsilane tulen (PFS). Ideanya ialah rantaian tambahan SFC, yang diklasifikasikan dengan blok SFC dalam kopolimer, harus mewujudkan kawasan permukaan tambahan, yang membolehkan rantai terlarut tidak mengganggu satu sama lain. Campuran itu ditambahkan kepada penyelesaian micelles filamen pendek, supaya mereka berfungsi sebagai pusat penghabluran.

Selepas beberapa percubaan yang tidak berjaya untuk mencuba dengan campuran SFC28-PDMS560/ PFS20 dan SFC38-P2VP502/ PFS20 tekan tanda (rajah 4). Penambahan polimer kepada penyelesaian dengan micelles pendek menyebabkan penampilan struktur segi empat tepat dengan ketinggian ~ 20 nm, dan saiz (kawasan) mereka dikawal sepenuhnya oleh jumlah polimer yang ditambah.Oleh kerana tepi mikel tidak ditutup, anda boleh menambah copolymer blok lain, dan ia akan ditambah ke micelle tanpa residu.

Rajah. 4 A – Perwakilan skematik untuk memperoleh micelles segiempat tepat dari campuran BSP / PPS dalam nisbah 1: 1 mengikut berat. In – Gambar kecil micelles segi empat tepat, yang diperoleh menggunakan mikroskop elektron penghantaran (TEM). Dengan – Gambar diambil dengan mikroskop berkuatkuasa atom (AFM). D – ketinggian struktur, diukur oleh AFM. Keluk warna sepadan dengan warna garis pada beras 4, C – di tempat ini ketinggian diukur. Gambar dari artikel dibincangkan di Sains

Untuk menunjukkan kawalan ke atas kawasan dan komposisi kimia permukaan, penulis mengangkat micelles, berturut-turut menambahkan polimer dengan kumpulan warna (neon) yang berbeza ke micelle segi empat utama dari PFS-P2VP (Rajah 5). Anda boleh membaca lebih lanjut mengenai micelles warna dan mengapa mereka diperlukan di sini.

Rajah. 5 Makellar segi empat tepat berwarna diperolehi oleh perakam sendiri dengan penambahan PPS-PDMS yang berurutan dengan molekul yang dilampirkan pewarna pendarfluor. Barisan teratas – perwakilan skematik; baris tengah – imej menggunakan mikroskop konfok; baris bawah – imej mikel individu yang diambil dengan mikroskop pencahayaan berstruktur (lihat mikroskop pencahayaan berstruktur). Gambar dari artikel dibincangkan di Sains

Jadi, penulis telah menunjukkan keupayaan untuk menggantikan komposisi kimia permukaan micelle. Bagaimana untuk menggunakan peluang ini? Salah satu polimer dalam komposisi micelle yang digunakan dalam pemasangan diri, P2VP, mampu mengikat ikatan koordinat dengan logam. Setelah menambahkan nanopartikel platina dengan diameter 2 nm kepada larutan micelles berselang-seli PDMS dan P2VP di permukaan mereka, para penulis secara rantaian mengaitkan rantai P2VP tanpa menjejaskan PDMS. Dalam erti kata lain, di rantau P2VP, permukaan ternyata dikaitkan silang dengan nanopartikel platinum.

Menambah tetrahydrofuran (THF), yang dalam keadaan normal melarutkan semua copolymers blok yang mengandungi PPS, penulis hanya membubarkan PPS-PDMS. Selepas melarutkan, nanoframes diperolehi – micelles segi empat tepat P2VP bersilang silang dengan lubang di tengah. Lubang boleh didapati dalam sebarang saiz, bergantung pada saiz blok P2VP dan PDMS (Rajah 6). Dalam micelles dengan aperture terluas, ketebalan dinding sisi <100 nm sebenarnya adalah hibrid kitaran daripada nanomaterial satu dimensi dan dua dimensi.

Rajah. 6 Menerima nanoframes Struktur utama terdiri daripada PPS-PDMS.Lapisan PPS-P2VP dibina di atasnya, yang kemudiannya bersilih silang dengan nanopartikel platinum. Melepaskan teras tak tersambung dalam tetrahydrofuran (THF) memberikan nanorod. Di atas – perwakilan skema proses itu. Turun di bawah – imej nanorow dengan saiz lubang berlainan, dibuat menggunakan mikroskop elektron penghantaran (TEM). Gambar dari artikel dibincangkan di Sains

Setelah menguasai teknologi, penulis telah melakukan lebih banyak eksperimen untuk menunjukkan kekuatannya:

  1. Micelles daripada lapan PFS-PDMS dan blok PFS-P2VP berselang-seli telah disediakan (Rajah 7, A), dan blok boleh bergantian kepada infiniti.
  2. Micelles juga dibuat daripada tiga blok kimia yang berbeza dari PPS-PDMS, PFS-P2VP dan PFS-PBMA (Rajah 7, B), dan tidak ada yang menghalangnya daripada empat atau lima blok berbeza, dan sebagainya.
  3. Micelles PPS-PDMS dan PPS-P2VP dirawat dengan nanopartikel silikon dioksida (diameter purata 70 nm).
    Dalam zarah silikon dioksida terdapat serpihan SiOH yang membentuk ikatan hidrogen dengan pyridine dalam P2VP. Dalam ara. 7, C bahawa nanopartikel (titik hitam) terpilih melekat pada blok micelles P2VP.
  4. Mikelles larut larut disediakan dengan panjang lebih daripada 60 μm dan lebar lebih daripada 20 μm tanpa kecacatan yang ketara (Rajah 7, D), manakala saiz kawasan tidak terhad oleh kelarutan.
  5. Akhirnya, penulis menunjukkan bahawa struktur mereka cukup kuat untuk dimanipulasi dengan pinset optik (Rajah 7, F), supaya mereka boleh dibentangkan di atas permukaan dalam perintah yang diberikan. Dalam ara. 7, E menunjukkan bagaimana micelles dengan rim hijau dibentangkan dalam singkatan nama universiti di mana mereka belajar untuk melakukan: UOB – University of Bristol.

Rajah. 7 A – snapshot micelles dari lapan blok PFS-PDMS dan blok PFS-P2VP. In – Satu gambar micelles dari tiga blok berbeza (dari pusat: PFS-PBMA, PFS-PDMS, PFS-P2VP). Dengan – satu gambar micelles PPS-PDMS dan PPS-P2VP dirawat dengan nanopartikel silikon dioksida (70 nm) berpegang teguh kepada P2VP kerana ikatan hidrogen. D – Satu tangkapan micelle lebih dari 60 μm panjang dan lebih 20 μm lebar, diambil dengan mikroskop berkuatkuasa atom (AFM). E – snapshot micelles dibentangkan dengan bantuan pinset optikal dalam bentuk UOB akronim (di bahagian atas); gambar tempat yang sama diambil dengan mikroskop confocal (turun di bawah). F – Imej skema manipulasi miksel dengan pinset optik. Syot kilat A, B, C dan E (di bahagian atasdibuat menggunakan mikroskop elektron penghantaran (TEM). Gambar dari artikel dibincangkan di Sains

Penulis artikel, ahli kimia dan saintis bahan, tidak menetapkan tugas ini tugas mencari dan membuktikan sifat fizikal unik struktur baru yang diperolehi. Mereka yakin bahawa ahli fizik akan berminat dengan teknologi ini dan akan meneruskan revolusi bermula. Sejak hari ini copolymers blok yang mengandungi PPS yang mempunyai banyak pengubahsuaian kimia dalam bahagian yang larut diketahui, struktur nanost dapat diperolehi yang mempunyai apa-apa di permukaan: dari biomolekul hingga semikonduktor, dari logam separuh yang baik dari Jadual Berkala kepada seni bina molekul kompleks. Para penulis mencatatkan bahawa teknologi itu mungkin berguna pada masa depan untuk digunakan dalam tomografi neon, nanoelektronik, pemangkinan, kristal cecair, nano- dan micromachine mudah alih, atau pembawa terapeutik. Terdapat banyak tempat untuk fantasi.

Sumber: Huibin Qiu, Yang Gao, Charlotte E. Boott, Oliver E. C. Gould, Robert L. Harniman, Mervyn J. Miles, Stephen E. D. Webb, Mitchell A. Winnik, Ian Manners. Seragam micelles platelet segi empat pasang dan berongga dari campuran polimer yang boleh disejukkan // Sains. 2016. V. 352. I. 6286. P. 697-701.

Gregory Molev


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: