Polimerowe nanoreaktory do tworzenia kryształów

Prof. Zhiqun Lin, Xinchang Pang- autorzy badań/Georgia Tech/Foto: Gary Meek

Za pomocą blokowego kopolimeru tworzącego strukturę gwiazdy w amerykańskim Georgia Institute of Technology zbudowano nanoreaktor, w ktorym można produkować nanokryształy o stałych rozmiarach, składzie oraz budowie. Wyniki tych prac opublikowano w „ Nature Nanotechnology".

Nanokryształy można tworzyć w tym reaktorze z materiałów metalicznych, ferroelektrycznych, magnetycznych, luminescencyjnych i półprzewodników. Wytwarzanie nanokryształów w tym przypadku opiera się na dobraniu odpowiedniej długości łańcuchów polimerowych i udziału dwóch rozpuszczalników w celu kontroli rozmiaru i jednorodności koloidalnych nanokryształów.

Podstawowa struktura tworząca nanoreaktor jest w kształcie gwiazdy i składa się z rdzenia z beta-cyklodekstryny, do którego przyłączonych kowalencyjnie jest 21 polimerowych „ramion" blokowego kopolimeru. Następnie taki polimer gwiaździsty tworzy jednorodne micele, które stanowią naczynie reakcyjne i szablon do formowania się nanokryształów.

Wewnętrzne bloki miceli składają się z kwasu poliakrylowego (PAA) o właściwościach hydrofiloweych, który pozwala na wniknięcie jonów do wnętrza miceli, następnie jony reagują z PAA tworząc nanookryształy o rozmiarach od kilku do kilkudziesięciu nanometrów. Ich rozmiar jest determiniowany długością łańcucha PAA. Kopolimerowa struktura może być tworzona również przez wewnętrzne częśći hydrofilowe i zewnętrzne hydrofobowe, co pozwala na powstanie nanokryształów rozpuszczalnych w rozpuszczalnikach organicznych. Gdy całość jest hydrofilowa, nanocząstki są rozpuszalne w wodzie i nadają się do zastosowania w biomedycynie. Jednorodność otrzymanych nanocząstek może być sterowana za pomocą udziału objętości dwóch rozpuszalników: dimetyloformamidu (DMF) i alkoholu benzylowego. Przykładowo, ferroelektryczny tytanian ołowiu (PbTiO3) tworzy najbardziej jednorodne nanokryształy, gdy stosunek objętości DMF do alkoholu benzylowego wynosi 9:1.

Naukowcy przetestowali nową technikę tworząc wiele nanokryształów na bazie tlenków i soli metali. Można ją stosować do prawie wszystkich metali przejściowych i grup głónych oraz jonów organometaliczych. Przeprowadzono badania z udziałem różnych kopolimerów zbudowanych z dwóch i trzech bloków, w skład których wchodziły m. in.: styren, winylopirydyna, tlenek etylenu. W przyszłości planowane jest zbudowanie nanoreaktorów do produkcji bardziej skomplikowanych wielowarstwowych nanokryształów.

(pj)