Met behulp van stervormige blokcopolymeerstructuren als kleine reactievaten, onderzoekers hebben een verbeterde techniek ontwikkeld voor het produceren van nanokristallen met consistente afmetingen, composities en architecturen – inclusief metallic, ferro-elektrisch, magnetisch, halfgeleiders en lichtgevende nanokristallen. De techniek is gebaseerd op de lengte van polymeermoleculen en de verhouding van twee oplosmiddelen om de grootte en uniformiteit van colloïdale nanokristallen te regelen.

De techniek zou het gebruik van nanodeeltjes voor optische, elektrisch, opto-elektronisch, magnetisch, katalyse en andere toepassingen waarbij strakke controle over grootte en structuur essentieel is om gewenste eigenschappen te verkrijgen. De techniek produceert eenvoudige, kern-schil en holle nanodeeltjes die oplosbaar kunnen worden gemaakt in water of in organische oplosmiddelen.

"We hebben een algemene strategie ontwikkeld voor het maken van een grote verscheidenheid aan nanodeeltjes in verschillende groottebereiken, composities en architecturen, " zei Zhiqun Lin, een universitair hoofddocent aan de School of Materials Science and Engineering aan het Georgia Institute of Technology. "Deze zeer robuuste techniek stelt ons in staat een breed scala aan nanodeeltjes te maken die niet gemakkelijk met andere benaderingen kunnen worden geproduceerd."

De techniek werd beschreven in het juninummer van het tijdschrift Natuur Nanotechnologie . Het onderzoek werd ondersteund door het Air Force Office of Scientific Research.

De stervormige blokcopolymeerstructuren bestaan ​​uit een centrale bèta-cyclodextrinekern waaraan meerdere "armen" - maar liefst 21 lineaire blokcopolymeren - covalent zijn gebonden. De stervormige blokcopolymeren vormen de unimoleculaire micellen die dienen als reactievat en sjabloon voor de vorming van de nanokristallen.

De binnenste blokken van unimoleculaire micellen zijn poly(acryl)zuur (PAA), die hydrofiel is, waardoor metaalionen erin kunnen komen. Eenmaal in de kleine reactievaten gemaakt van PAA, de ionen reageren met de PAA om nanokristallen te vormen, die in grootte variëren van enkele nanometers tot enkele tientallen nanometers. De grootte van de nanodeeltjes wordt bepaald door de lengte van de PAA-keten.

De blokcopolymeerstructuren kunnen worden gemaakt met hydrofiele binnenblokken en hydrofobe buitenblokken - amfifiele blokcopolymeren, waarmee de resulterende nanodeeltjes kunnen worden opgelost in organische oplosmiddelen. Echter, als zowel de binnenste als de buitenste blokken hydrofiel zijn - alle hydrofiele blokcopolymeren - zullen de resulterende nanodeeltjes in water oplosbaar zijn, waardoor ze geschikt zijn voor biomedische toepassingen.

Lin en medewerkers Xinchang Pang, Lei Zhao, Wei Han en Xukai Xin ontdekten dat ze de uniformiteit van de nanodeeltjes konden regelen door de volumeverhouding van twee oplosmiddelen – dimethylformamide en benzylalcohol – waarin de nanodeeltjes worden gevormd te variëren. Voor ferro-elektrische loodtitanaat (PbTiO3) nanodeeltjes, bijvoorbeeld, een 9-tegen-1 oplosmiddelverhouding produceert de meest uniforme nanodeeltjes.

De onderzoekers hebben ook ijzeroxide gemaakt, zinkoxide, titaanoxide, koperoxide, cadmiumselenide, bariumtitanaat, goud, platina en zilveren nanokristallen. De techniek zou toepasbaar kunnen zijn op bijna alle overgangs- of hoofdgroepmetaalionen en organometaalionen, zei Lin.

"De kristalliniteit van de nanodeeltjes die we kunnen creëren, is de sleutel tot veel toepassingen, " voegde hij eraan toe. "We moeten ze maken met goede kristallijne structuren, zodat ze goede fysieke eigenschappen zullen vertonen."

Eerdere technieken voor het produceren van polymere micellen met lineaire blokcopolymeren zijn beperkt door de stabiliteit van de structuren en door de consistentie van de nanokristallen die ze produceren, zei Lin. Huidige fabricagetechnieken omvatten organische oplossingsfasesynthese, thermolyse van organometaalprecursoren, sol-gel processen, hydrothermische reacties en biomimetische of dendrimeertemplating. Deze bestaande technieken vereisen vaak strenge voorwaarden, zijn moeilijk te generaliseren, omvatten een complexe reeks stappen, en niet bestand zijn tegen veranderingen in de omgeving om hen heen.

Daarentegen, De techniek voor de productie van nanodeeltjes, ontwikkeld door de Georgia Tech-onderzoekers, is algemeen en robuust. De nanodeeltjes blijven lange tijd stabiel en homogeen - tot nu toe wel twee jaar - zonder neerslag. Een dergelijke flexibiliteit en stabiliteit kan een reeks praktische toepassingen mogelijk maken, zei Lin.

"Onze sterachtige blokcopolymeren kunnen de thermodynamische instabiliteiten van conventionele lineaire blokcopolymeren overwinnen, " zei hij. "De kettinglengte van de binnenste PAA-blokken dicteert de grootte van de nanodeeltjes, en de uniformiteit van de nanodeeltjes wordt beïnvloed door de oplosmiddelen die in het systeem worden gebruikt."

De onderzoekers hebben verschillende sterachtige di-block en tri-block co-polymeren gebruikt als nanoreactoren. Onder hen zijn poly(acrylzuur)-blok-polystyreen (PAA-b-PS) en poly(acrylzuur)-blokpoly(ethyleenoxide) (PAA-b-PEO) diblokcopolymeren, en poly(4-vinylpyridine)-blok-poly(tert-butylacrylaat)-blok-polystyreen (P4VP-b-PtBA-b-PS), poly(4-vinylpyridine)-blok-poly (tert-butylacrylaat)-blok-poly(ethyleenoxide) (P4VP-b-PtBA-b-PEO), polystyreenblok-poly(acrylzuur)-blok-polystyreen (PS-b-PAA-b-PS) en polystyreen-blok-poly(acrylzuur)-blok-poly(ethyleenoxide) (PS-b-PAA-b -PEO) tri-blokcopolymeren.

Voor de toekomst, Lin stelt zich complexere nanokristallen voor met multifunctionele omhulsels en extra vormen, inclusief nanostaafjes en zogenaamde "Janus" nanodeeltjes die zijn samengesteld uit bifasische geometrie van twee ongelijksoortige materialen.