Получены двумерные наноструктуры с управляемыми размер и свойства поверхности

Британским и канадским химикам впервые удалось методом, для самостоятельной сборки получить двумерный прямоугольный нано-структурный, с полным контролем по площади и химический состав их поверхности. Успех был достигнут за счет использования блок-сополимеров с полукристаллическим диск, найти коэффициент длины блоков и добавить свободное решение цепочек полукристаллического полимера. Эта технология может в будущем пригодиться для использования в флуоресцентной томографии, наноэлектронике, катализе, жидкостного кристалла, мобильные нано — и микромашинах или терапевтических средств массовой информации.

В конце XX века, стало ясно, что наноразмерные частицы (размер 1-100 нм, как минимум на размер), которые имеют свойства, которые не проявляются в макромире. Это происходит потому, что при уменьшении размеров частиц до наноуровня становится существенным вклад свойств поверхности в свойства объекта. Другой причиной изменения свойств является то, что в мире проявляются законы квантовой механики. Так, когда в 2004 году, группа физиков во главе с Андре Геймом и Константином Новоселовым были получены первые образцы графена, оказалось, что такие двумерные структуры, способной осуществлять удивительные электронные свойства, качественно отличительные раньше наблюдались. Сегодня, сотни экспериментальных групп исследуют электронные свойства графена.

Классификации наночастиц проще только степень снижения размер: двумерных квантовых план одномерные — квантовые нити, нульмерные — квантовых точек. Весь ассортимент размеров, частичный удобно объяснить на примере углерода, наночастиц (рис. 2).

Рис.2. Углерода, наночастиц. Слева направо: нульмерный фуллерен, одномерный углеродная нанотрубка, двумерный графен. Веб дизайн surrealsciencestuff.wordpress.com

Мир нанотехнологий, конечно, не ограничивается углерода: почти любой наноразмерный материал по-своему необычен и потенциально интересным. Как получить? Для получения нульмерных наноматериалов (квантовых точек) подходят, как правило, известные химические методы, в конце концов, квантовая точка, как правило, только большая молекула. Для получения одно-и двумерных материалов, были необходимы новые подходы. Следует отметить, что эти меры, в котором материал не наноразмерен (где их размер превышает 100 нм), существует теоретическая возможность переключения состава поверхности и, таким образом, получить еще более интересные материалы для различных областей применения. Тем не менее, изменить графена и других подобных материалов, очень трудно химия. Создание двумерных наноструктур с контролируемыми размерами и химическим составом поверхности — одна из нерешенных задач нанотехнологии. С открытием графена эта область исследований получила серьезный импульс, но, не считая нескольких примеров, проблема остается нерешенной по сей день.

Самосборка макромолекул в растворе более элегантный, удобный и экономичный метод получения наноматериалов, и именно этот метод, теоретически, можно создать структуру, состав контролируемой поверхности, если переключаться макромолекулы, которые вносят свой вклад в решение.

Группа ученых из университета Бристоля (Великобритания) и Торонтского университета (Канада), анимированные свой недавний успех в управления одномерными наноструктурами (см. Появился способ получения нецентросимметричных наночастиц, «Элементы», 17.08.2012), достигается самостоятельной сборки сополимеры блок (PSB), в котором один из блоков был полукристаллический полиферроценилсилан (SFC), пытался использовать подобный подход для получения двумерных наноструктур.

Напомним, что ПРОМСВЯЗЬБАНК является полимер, в котором две части (два блока) или смеси различных мономеров. Самосборки сополимеров, блок-решение, возникает из-за разной растворимости на две части. Полукристалличность-это способность полимера кристаллизоваться, то есть, упорядоченно принимать форму. Префикс «полу-» здесь необходима, потому что при складывании полимерный кристалл всегда остаются некристалличесткие (аморфный) фрагменты.

Рис.3. Полимеров, упомянутых в тексте, в том порядке, в котором они появляются. Индексный номер n на имя полимер относится к степени полимеризации — средняя были числа связей в молекуле полимера. Азота в кольце пиридина в П2ВП способен взаимодействовать с металлами и некоторые другие молекулы, свойства, который был использован авторами статьи (см. ниже в тексте)

Успех структур, имеющих одно было связано с тем, что полукристаллическая часть блок-сополимера был намного меньше растворения части. При самосборке долго растворимые цепи PSB накапливается на поверхности мицеллы, мешать друг другу, не позволил создать структуру, лиза, и был получен обсуждения. При укорачивании растворения цепи в PSB мицеллы, или не можете или не упал в осадок.

Итак, решил поэкспериментировать с самосборкой смесь PSB с длинной растворения части и чисто полиферроценилсилана (SFC). Идея заключалась в том, что цепи PPS, сокристаллизуясь с диска SFC в сополимере, из-за создания дополнительной поверхности, что позволяет растворимые темы не мешают друг другу. К смеси добавляли раствор коротких нитевидных мицелл, в которых центр кристаллизации.

После нескольких попыток, эксперименты с смесями ПФС28–ПДМС560/ПФС20 и ПФС38–П2ВП502/ПФС20 попали в точку (fig. 4). Добавление полимеров в растворе короткий мицеллами привело к появлению прямоугольных конструкций высота ~20 нм, и его размер (площадь) полностью контролируется количество добавленого полимера. Так как края мицеллы не закрыты, то вы можете добавить более сополимера в блок, и он будет, без остатка расти в мицелле.

Рис. 4. И — концептуальное представление более прямоугольные мицеллы из смеси PSB/PPS, в соотношении 1:1 по весу. В — изображение прямоугольной мицелл, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ). С — изображения, полученные с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ). D — высота структуры, измерения AFM. Цвет кривой соответствует цвету линии на рисунке. 4 — в этом месте высота была измерена. Изображения из обсуждения статьи в Science

Чтобы продемонстрировать контроль над областью и химического состава поверхности, авторы создали мицеллы, последовательно добавляя первичный прямоугольный мицелле SFC–П2ВП полимеров с различными цветами (дневные) группы (fig. 5). Подробнее о цветы мицеллах и о том, зачем они нужны, вы можете прочитать здесь.

Рис. 5. Цветные прямоугольные мицелл, полученные самосборкой через ряд добавить SFC–ПДМС с связывание молекул флуоресцентных красителей. Верхняя линия — схематическое представление; средний ряд изображений с конфокального микроскопа; нижний ряд изображений отдельных мицелл, сделанные с помощью структурированного иллюминационной микроскопии (см. Structured illumination microscopy). Изображения из обсуждения статьи в Science

Таким образом, авторы продемонстрировали возможность переключения химического состава поверхности мицеллы. Как этот параметр использовать? Один из полимеров, в состав мицеллы, используется при самосборке, — П2ВП — это возможность общаться координативной связи с металлами. Добавление наночастиц платины с диаметром 2 нм-решения мицеллы, чередующих на его поверхности ПДМС и П2ВП, авторы селективный привязали к цепи П2ВП, не говоря уже о ПДМС. Другими словами, в области П2ВП поверхности оказалось сшитые наночастицами платины.

Добавление тетрагидрофуран (тгф), который в нормальных условиях, растворяет все SFC-содержащие сополимеры блок, авторы растворил только SFC–ПДМС. После роспуска были нанорамки — прямоугольные мицеллы переплетения П2ВП с отверстием в центре. Отверстие может принимать любой размер, в зависимости от размера блоков П2ВП и ПДМС (fig. 6). В мицеллах с более широким отверстием толщина боковой стены <100 нм-это на самом деле циклический гибрид одномерных и двумерных наноматериала.

Рис. 6. Получать нанорамок. Основная структура состоит из PPS–ПДМС. Она увеличивается слой-SFC–П2ВП, что позже селективный сшивается наночастицами платины. Растворение несшитой с центральной тетрагидрофуране (тгф) дает нанорамку. В верхней части — схематическое представление процесса. Ниже изображения нанорамок с разной величины отверстия, сделанные с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ). Изображения из обсуждения статьи в Science

Осваивая технологии, авторы сделали еще много опытов, чтобы продемонстрировать свою власть:

  • Подготовили мицеллы, восемь чередующихся блоков SFC–ПДМС и SFC–П2ВП (fig. 7, И), с блоками, вы можете переключиться бесконечности.
  • Сделали также мицеллы, три химически различных блоков, SFC–ПДМС, SFC–П2ВП и SFC–ПБМА (fig. 7), и ничто не мешает сделать их из четырех или пяти различных блоков и т. д.
  • Обработали мицеллы SFC–ПДМС и SFC–П2ВП наночастицами диоксида кремния (средний диаметр 70 нм).
    Частицы диоксида кремния, есть фрагменты SiOH, которые образуют водородные связи с пиридинами в П2ВП. На рис. 7, видно, что наночастицы (черные точки) избирательным подключены к блоку мицеллы с П2ВП.
  • Подготовили хорошо растворимые мицеллы длиной более 60 мкм и шириной 20 мкм, без крупных дефектов (fig. 7, D), размер пространства, не ограниченная растворимость.
  • Наконец, авторы показали, что его структура достаточно сильным, чтобы обрабатывать их с помощью пинцета оптический (fig. 7, F), благдаря чему их можно укладывать на поверхность, в указанном порядке. На рис. 7, А показано, как мицеллы, с зеленым ободком выложенны в сокращенное название университета, в котором они научились делать: UOB — University of Bristol.
  • Рис. 7. И — снимок мицеллы восемь чередующихся блоков SFC–ПДМС и SFC–П2ВП. В — снимок мицеллы трех различных блоков (в порядке от центра: SFC–ПБМА, SFC–ПДМС, SFC–П2ВП). С — фото мицеллы SFC–ПДМС и SFC–П2ВП, обработанных наночастицами диоксида кремния (70 нм), приставшими для селективного П2ВП благодаря водородным связям. D — снимок мицеллы течение 60 мкм и шириной 20 мкм, сделанные с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ). И — снимок мицеллы, совместно с помощью оптически щипчики в виде сокращений UOB (верхняя часть); снимок же места, сделанный с помощью конфокального микроскопа (в нижней части). F — схематическое изображение обработки мицеллами с помощью пинцета оптики. Изображения A, B, C и А (верхняя) изготовлены с просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ). Изображения из обсуждения статьи в Science

    Авторы статьи — химики и материаловеды — мы не ставим в данной работе задачи, найти и продемонстрировать уникальные физические свойства полученных новых структур. Они уверены, что эта технология, если интересуют физические и продолжения работы, начатой революции. Так как сегодня известны SFC-содержащие сополимеры блок с огромным количеством химических изменений в роспуск частей, вы можете получить наноструктуры, имеющие на поверхности все, начиная от биомолекул и полупроводников, металлов добрую половину таблицы Менделеева до сложных молекулярных архитектур. Авторы отмечают, что технология может в будущем пригодиться для использования в флуоресцентной томографии, наноэлектронике, катализе, в жидкий кристалл, мобильные нано — и микромашинах или терапевтических средств массовой информации. Места для фантазии много.

    Источник: Bai Bing Цю, Ян Гао, Charlotte E. Boott, Oliver E. C. Гулд, Роберт L. Harniman, Мервин J. Miles, Stephen E. D. Webb, Mitchell A. Winnik, Ян Манеры. Uniform apache and hollow прямоугольный platelet мицеллы from crystallizable polymer blends // Science. 2016. Ст. 352. I. 6286. P. 697-701.

    Григорий Молев

    Комментирование и размещение ссылок запрещено.

    Комментарии закрыты.

    Translate »