Materiaalwetenschappers hebben een nieuwe strategie ontwikkeld voor het maken van eendimensionale nanostaafjes uit een breed scala aan voorlopermaterialen. Gebaseerd op een cellulose ruggengraat, het systeem is gebaseerd op de groei van blokcopolymeer-"armen" die helpen een compartiment te creëren dat dienst kan doen als chemische reactor op nanometerschaal. De buitenste blokken van de armen voorkomen aggregatie van de nanostaafjes.

De geproduceerde structuren lijken op kleine flessenborstels met polymeer "haren" op het oppervlak van de nanostaaf. De nanostaafjes variëren in grootte van enkele honderden nanometers tot enkele micrometers lang, en een diameter van enkele tientallen nanometers. Deze nieuwe techniek maakt een strakke controle over de diameter mogelijk, lengte en oppervlakte-eigenschappen van de nanostaafjes, wiens optische, elektrisch, magnetische en katalytische eigenschappen zijn afhankelijk van de gebruikte precursormaterialen en de afmetingen van de nanostaafjes.

De nanostaafjes kunnen toepassingen hebben op gebieden als elektronica, sensorische apparaten, energieomzetting en -opslag, medicijnafgifte, en kankerbehandeling. Door hun techniek te gebruiken, de onderzoekers hebben tot nu toe uniforme metalen gefabriceerd, ferro-elektrisch, opconversie, halfgeleidende en thermo-elektrische nanokristallen, evenals combinaties daarvan. Het onderzoek, ondersteund door Air Force Office of Scientific Research, werd gerapporteerd in het nummer van 16 september van het tijdschrift Wetenschap .

"We hebben een zeer algemene en robuuste strategie ontwikkeld om een ​​rijke verscheidenheid aan nanostaafjes te maken met nauwkeurig gecontroleerde afmetingen, composities, architecturen en oppervlaktechemie, " zei Zhiqun Lin, een professor aan de School of Materials Science and Engineering aan het Georgia Institute of Technology. "Om deze structuren te creëren, we gebruikten niet-lineaire flessenborstelachtige blokcopolymeren als kleine reactoren om de groei van een opwindende verscheidenheid aan anorganische nanostaafjes te modelleren."

Nanorod-structuren zijn niet nieuw, maar de techniek die door Lin's lab wordt gebruikt, produceert nanostaafjes van uniforme afmetingen - zoals bariumtitanaat en ijzeroxide, die nog niet zijn aangetoond via natchemische benaderingen in de literatuur - en zeer uniforme kern-schaal nanostaafjes gemaakt door twee ongelijke materialen te combineren. Lin en voormalig postdoctoraal onderzoeksmedewerker Xinchang Pang zeggen dat de voorlopermaterialen die van toepassing zijn op de techniek vrijwel onbeperkt zijn.

"Er zijn veel voorlopers van verschillende materialen beschikbaar die kunnen worden gebruikt met dit robuuste systeem, Lin zei. "Door een ander buitenste blok te kiezen in de flessenborstelachtige blokcopolymeren, onze nanostaafjes kunnen worden opgelost en uniform gedispergeerd in organische oplosmiddelen zoals tolueen of chloroform, of in het water."

De fabricage van de nanostaafjes begint met de functionalisering van individuele stukken cellulose, een goedkoop biopolymeer met lange keten, geoogst uit bomen. Elke eenheid cellulose heeft drie hydroxylgroepen, die chemisch zijn gemodificeerd met een broomatoom. De gebromeerde cellulose dient dan als macro-initiator voor de groei van de blokcopolymeerarmen met goed gecontroleerde lengtes met behulp van het atoomoverdrachtsradicaalpolymerisatieproces (ATRP), met, bijvoorbeeld, poly(acrylzuur)-blok-polystyreen (PAA-b-PS) dat cellulose oplevert dat dicht is geënt met PAA-b-PS (d.w.z. cellulose-g-[PAA-b-PS]) die de flessenborstel het uiterlijk geven.

De volgende stap omvat de preferentiële verdeling van voorlopers in het binnenste PAA-compartiment dat dient als een nanoreactor om de nucleatie en groei van nanostaafjes te initiëren. De dicht geënte blokcopolymeerarmen, samen met de stijve ruggengraat van cellulose, onderzoekers de mogelijkheid bieden om niet alleen aggregatie van de resulterende nanostaafjes te voorkomen, maar ook om te voorkomen dat ze buigen.

"De polymeren zijn als lange spaghetti en ze willen oprollen, Lin legde uit. "Maar dat kunnen ze niet in de complexe macromoleculen die we maken, omdat er zoveel blokcopolymeerarmen gevormd worden, er is geen ruimte. Dit leidt tot het strekken van de armen, het vormen van een zeer stijve structuur."

Door de chemie en het aantal blokken in de armen van de flessenborstelachtige blokcopolymeren te variëren, Lin en collega's produceerden een reeks in olie oplosbare en in water oplosbare gewone nanostaafjes, kern-shell nanostaafjes, en holle nanostaafjes – nanobuisjes – van verschillende afmetingen en samenstellingen.

Bijvoorbeeld, door gebruik te maken van flessenborstelachtige triblokcopolymeren die dicht geënt amfifiele triblokcopolymeerarmen bevatten, de core-shell nanorods kunnen worden gevormd uit twee verschillende materialen. In de meeste gevallen, een grote roostermismatch tussen kern- en schaalmaterialen zou de vorming van hoogwaardige kern-schaalstructuren voorkomen, maar de techniek overwint die beperking.

“Door deze aanpak te gebruiken, we kunnen de kern- en schaalmaterialen onafhankelijk laten groeien in hun respectieve nanoreactoren, Lin zei. "Dit stelt ons in staat om de vereiste voor het matchen van de kristalroosters te omzeilen en maakt de fabricage mogelijk van een grote verscheidenheid aan kern-schaalstructuren met verschillende combinaties die anders zeer moeilijk te verkrijgen zouden zijn."

Lin ziet veel potentiële toepassingen voor de nanostaafjes.

"Met een breed scala aan fysieke eigenschappen - optische, elektrisch, opto-elektronisch, katalytisch, magnetisch, en sensing - die gevoelig afhankelijk zijn van hun grootte en vorm, evenals hun samenstellingen, de geproduceerde nanostaafjes zijn zowel van fundamenteel als praktisch belang, Lin zei. "Potentiële toepassingen zijn onder meer optica, elektronica, fotonica, magnetische technologieën, sensorische materialen en apparaten, lichtgewicht structurele materialen, katalyse, medicijnafgifte, en bio-nanotechnologie."

Bijvoorbeeld, gewoon gouden nanostaafjes van verschillende lengtes kunnen een effectieve plasmonische absorptie in het nabij-infraroodbereik mogelijk maken voor gebruik bij zonne-energieconversie met verbeterde oogst van het zonnespectrum. De opconversie-nanostaafjes kunnen bij voorkeur de IR-zonnefotonen oogsten, gevolgd door de absorptie van uitgezonden hoogenergetische fotonen om extra fotostroom in zonnecellen te genereren. Ze kunnen ook worden gebruikt voor biologische etikettering vanwege hun lage toxiciteit, chemische stabiliteit, en intense luminescentie wanneer geëxciteerd door bijna-IR-straling, die veel beter weefsel kan doordringen dan straling met hogere energie zoals ultraviolet, zoals vaak vereist is bij quantum dot-labels.

De goud-ijzeroxide kern-schaal nanostaafjes kunnen nuttig zijn bij kankertherapie, met MRI-beeldvorming mogelijk gemaakt door de ijzeroxideschil, en lokale verwarming gecreëerd door het fotothermische effect op de gouden nanostaafkern die kankercellen doodt.