Fluorescerende tetrapod-nanokristallen zouden de weg kunnen banen naar het toekomstige ontwerp van sterkere polymeernanocomposieten. Een team van onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) heeft een geavanceerde opto-mechanische detectietechniek ontwikkeld op basis van tetrapod-quantumdots die een nauwkeurige meting van de treksterkte van polymeervezels mogelijk maakt met minimale invloed op de mechanische eigenschappen van de vezel.

In een onderzoek onder leiding van Paul Alivisatos, Berkeley Lab directeur en de Larry en Diane Bock hoogleraar nanotechnologie aan de University of California (UC) Berkeley, het onderzoeksteam verwerkte in polymeervezels een populatie van tetrapod quantum dots (tQD's) bestaande uit een cadmium-selenide (CdSe) kern en vier cadmiumsulfide (CdS) armen. De tQD's werden via elektrospinnen in de polymeervezels verwerkt, een van de toonaangevende technieken voor het verwerken van polymeren, waarin een groot elektrisch veld wordt toegepast op druppeltjes polymeeroplossing om micro- en nanovezels te creëren. Dit is de eerste bekende toepassing van electrospinning op tQD's.

"Door het elektrospinproces konden we een enorme hoeveelheid tQD's plaatsen, tot 20 procent van het gewicht, in de vezels met minimale effecten op de mechanische eigenschappen van het polymeer, Alivisatos zegt. "De tQD's zijn in staat om fluorescent niet alleen eenvoudige uniaxiale stress te monitoren, maar spanningsrelaxatie en gedrag onder cyclisch variërende belastingen. Verder, de tQD's zijn elastisch en herstelbaar, en ondergaan geen blijvende verandering in het waarnemingsvermogen, zelfs niet bij vele cycli van laden tot falen."

Alivisatos is de corresponderende auteur van een paper waarin dit onderzoek in het tijdschrift wordt beschreven Nano-letters getiteld "Tetrapod Nanokristallen als Fluorescerende Stress Probes of Electrospun Nanocomposites." Coauteurs waren Shilpa Raja, Andrew Olson, Kari Thorkelsson, Andrew Luong, Lillian Hsueh, Guoqing Chang, Bernd Gludovatz, Liwei Lin, Ting Xu en Robert Ritchie.

Polymeer nanocomposieten zijn polymeren die vulstoffen van nanodeeltjes bevatten die door de polymeermatrix zijn verspreid. Met een breed scala aan verbeterde mechanische eigenschappen, deze materialen hebben een groot potentieel voor een breed scala aan biomedische en materiële toepassingen. Echter, rationeel ontwerp is belemmerd door een gebrek aan gedetailleerd begrip van hoe ze reageren op stress op micro- en nanoschaal.

"Het begrijpen van de interface tussen het polymeer en de nanofiller en hoe spanningen over die barrière worden overgedragen, is van cruciaal belang bij het reproduceerbaar synthetiseren van composieten, Alivisatos zegt. "Alle gevestigde technieken om deze informatie te verstrekken hebben nadelen, waaronder het veranderen van de samenstelling en structuur van het polymeer op moleculair niveau en mogelijk verzwakkende mechanische eigenschappen zoals taaiheid. Het was daarom van groot belang om optische luminescente stressgevoelige nanodeeltjes te ontwikkelen en een manier te vinden om ze in polymeervezels in te bedden met een minimale impact op de mechanische eigenschappen die worden gedetecteerd."

De onderzoekers van Berkeley Lab gingen deze uitdaging aan door halfgeleider-tQD's van CdSe/CdS te combineren, die zijn ontwikkeld in een eerdere studie van Alivisatos en zijn onderzoeksgroep, met elektrospinnen. De CdSe/CdS tQD's zijn uitzonderlijk geschikt als stresssensoren op nanoschaal, omdat een uitgeoefende spanning de armen van de tetrapoden zal buigen, veroorzaakt een verschuiving in de kleur van hun fluorescentie. Het grote elektrische veld dat wordt gebruikt bij elektrospinnen resulteert in een uniforme verspreiding van tQD-aggregaten door de polymeermatrix, waardoor de vorming van spanningsconcentraties die zouden werken om de mechanische eigenschappen van het polymeer te verminderen, tot een minimum worden beperkt. Electrospinning zorgde ook voor een veel sterkere binding tussen de polymeervezels en de tQD's dan een eerdere op diffusie gebaseerde techniek voor het gebruik van tQD's als stresssondes die twee jaar geleden werd gerapporteerd door Alivisatos en zijn groep. Veel hogere concentraties van tQD's kunnen ook worden bereikt met elektrospinning in plaats van diffusie.

Toen er spanning werd uitgeoefend op de polymeer nanocomposieten, elastische en plastische vervormingsgebieden werden gemakkelijk waargenomen als een verschuiving in de fluorescentie van de tQD's, zelfs bij lage deeltjesconcentraties. Naarmate de deeltjesconcentraties werden verhoogd, er werd een grotere fluorescentieverschuiving per eenheidsstam waargenomen. De tQD's fungeerden als niet-storende sondes waarvan uit tests bleek dat ze de mechanische eigenschappen van de polymeervezels op geen enkele significante manier nadelig beïnvloedden.

"We hebben mechanische tests uitgevoerd met behulp van een traditionele trekbank met al onze soorten polymeervezels, " zegt Shilpa Raja, een hoofdauteur van de Nano-letters papier samen met Andrew Olson, beide leden van de onderzoeksgroep van Alivisatos. "Terwijl de tQD's ongetwijfeld de samenstelling van de vezel veranderen - het is niet langer puur polymelkzuur maar in plaats daarvan een composiet - ontdekten we dat de mechanische eigenschappen van het composiet en de kristalliniteit van de polymeerfase minimale verandering vertonen."

Het onderzoeksteam is van mening dat hun tQD-sondes waardevol moeten zijn voor een verscheidenheid aan biologische, toepassingen voor beeldvorming en materiaaltechniek.

"Een groot voordeel bij de ontwikkeling van nieuwe polymere nanocomposieten zou zijn om tQD's te gebruiken om spanningsopbouw te monitoren voorafgaand aan materiaalfalen om te zien hoe het materiaal faalde voordat het daadwerkelijk uit elkaar viel, " zegt co-hoofdauteur Olson. "De tQD's kunnen ook helpen bij de ontwikkeling van nieuwe slimme materialen door inzicht te geven in waarom een ​​composiet nooit de gewenste eigenschap van nanodeeltjes vertoonde of deze niet meer vertoonde tijdens vervorming door normaal gebruik."

Voor biologische toepassingen, de tQD reageert op krachten op de nanoNewton-schaal, dat is de hoeveelheid kracht die door levende cellen wordt uitgeoefend terwijl ze door het lichaam bewegen. Een goed voorbeeld hiervan zijn metastaserende kankercellen die door de omringende extracellulaire matrix bewegen. Andere cellen die kracht uitoefenen zijn de fibroblasten die helpen bij het herstellen van wonden, en cardiomyocyten, de spiercellen in het hart die kloppen.

"Van al deze soorten cellen is bekend dat ze nanoNewton-krachten uitoefenen, maar het is erg moeilijk om ze te meten, " zegt Raja. "We hebben voorlopige studies gedaan waarin we hebben aangetoond dat cardiomyocyten bovenop een laag tQD's kunnen worden opgewekt om te slaan en de tQD-laag zal fluorescerende verschuivingen vertonen op plaatsen waar de cellen kloppen. Dit zou kunnen worden uitgebreid naar een meer biologisch relevante omgeving om de effecten van chemicaliën en medicijnen op de uitzaaiing van kankercellen te bestuderen."

Een andere opwindende potentiële toepassing is het gebruik van tQD's om slimme polymere nanocomposieten te maken die kunnen voelen wanneer ze barsten hebben of op het punt staan ​​te breken en zichzelf als reactie daarop kunnen versterken.

"Met onze techniek combineren we twee velden die meestal gescheiden zijn en nooit zijn gecombineerd op nanoschaal, optische detectie en polymeer nanocomposiet mechanische afstembaarheid, " zegt Raja. "Omdat de tetrapoden ongelooflijk sterk zijn, ordes van grootte sterker dan typische polymeren, uiteindelijk kunnen ze zorgen voor sterkere interfaces die zelf een dreigende breuk kunnen melden."