Gauta dvimatė nanostruktūra su kontroliuojamo dydžio ir paviršiaus savybėmis • Gregory Molev • Mokslo naujienos apie "elementus" • Nanotechnologijos, chemija

Gauta dvimatė nanostruktūra su kontroliuojamo dydžio ir paviršiaus savybėmis.

Pav. 1. 20 nm storio stačiakampių micelių su kontroliuojamo paviršiaus ploto schema. Struktūra gaunama pridedant blokinį kopolimerą (BSP) su trumpa puskristaline dalimi (poliferkocenilsilanu, PPS), sumaišytu su gryna PPS, į trumpus cilindrinius micelles, pagrįstus PPS. Paveikslėlis iš aptariamo straipsnioMokslas

Didžiosios Britanijos ir Kanados chemikai pirmą kartą sugebėjo surinkti savarankiškai, kad gautų dvimatis stačiakampius nanostruktūros, visiškai kontroliuojant plotą ir jų paviršiaus cheminę sudėtį. Sėkmė buvo pasiekta naudojant puskristalinio bloko blokinius kopolimerius, nustatant tinkamą plokščių ilgio santykį ir pridedant laisvą puskristalinio polimero grandines į tirpalą. Ši technologija ateityje gali būti naudinga fluorescencinei tomografijai, nanoelektronikai, katalizei, skystiesiems kristalams, mobiliems nano- ir mikromačinams arba terapiniams nešiotojams.

XX a. Pabaiga tapo aišku, kad nanoskaidos dalelės (1-100 nm dydžio bent viename dimensija) turi savybių, kurios nėra matomos. Tai atsitinka, nes, kaip dalelių dydis mažėja iki nanoskolės lygio, paviršiaus savybių įtaka objekto savybėms tampa reikšminga.Kita savybių pasikeitimo priežastis yra tai, kad kvantinės mechanikos įstatymai pasireiškia nanoskaitu lygiu. Taigi, kai 2004 m. Pirmieji grafeeno pavyzdžiai buvo gauti grupėse fizikų, kuriuos vadovavo Andrejus Geimas ir Konstantinas Novoselovas, pasirodė, kad tokios dvimačio struktūros gali eksponuoti nuostabias elektronines savybes, kurios kokybiškai skiriasi nuo visų anksčiau pastebimų. Šiandien šimtai eksperimentinių grupių tiria elektronines grafeno savybes.

Lengviausia klasifikuoti nanodaleles pagal dimensijos sumažinimo laipsnį: dvimatis – kvantinės plokštumos, vienmatės – kvantinės sriegiai ir nuliniai – kvadriniai taškai. Visą spektrą sumažintų matmenų yra lengviau paaiškinti, naudojant anglies nanodaleles pavyzdžiu (2 pav.).

Pav. 2 Anglies nanodalelės. Iš kairės į dešinę: nulinio matmens fulerenas, viengubas anglies nanovamzdis, dvimatis grafenas. Vaizdas iš surrealsciencestuff.wordpress.com

Žinoma, nanotechnologijų pasaulis neapsiriboja anglimi: beveik bet kokia nano skalės medžiaga savaime yra neįprasta ir potencialiai įdomi. Kaip juos gauti? Gerai žinomi cheminiai metodai paprastai yra tinkami nulinio matmenų nanomedžiagams gaminti (kvantiniai taškai).už kvantinį tašką paprastai yra tik didelė molekulė. Norėdami gauti vienos ir dvimatės medžiagos reikia naujų požiūrių. Reikėtų pažymėti, kad tuose matavimuose, kuriuose medžiaga nėra nanoskatu (kai jos matmuo yra didesnis nei 100 nm), teoriškai yra įmanoma keisti paviršiaus sudėtį ir taip gauti dar daugiau įdomių medžiagų skirtingoms reikmėms. Tačiau labai sunku chemiškai modifikuoti grafeną ir kitas panašias medžiagas. Dvimačių nanostruktūrų su kontroliuojamais dydžiais ir cheminės paviršiaus cheminės sudėties sukūrimas yra viena iš neišspręstų nanotechnologijų problemų. Graphene atradus, ši mokslinių tyrimų sritis gavo rimtą impulsą, tačiau, be kelių pavyzdžių, iki šios dienos problema liko neišspręsta.

Savo surinkimo makromolekulės tirpale yra pats elegantiškas, patogus ir ekonomiškas metodas nanomedžiagų gamybai. Būtent šis metodas leidžia teoriškai sukurti struktūras su kontroliuojama paviršiaus kompozicija, pakeičiant makromolekules, kurios dedamos į tirpalą.

Bristolio universiteto (UK) ir Toronto universiteto (Kanados) universitetų mokslininkų grupė, įkvėpta neseniai sėkmingai kontroliuoti vienmatę nanostruktūrą (žr.Pasirodė noncentrosymmetric gamybos metodas nanodaleles, "elementai", 17.08.2012), pasiekti per savęs sumontuotų blokinių kopolimerų (BSP), kurioje vienas iš blokų buvo semicrystalline poliferrotsenilsilan (PPS), bandė naudoti panašų metodą gauti dviejų matmenų nanostruktūras.

Prisiminkite, kad BSP yra polimeras, kuriame dvi dalys (du blokai) arba daugiau susideda iš skirtingų monomerų. Plokščių kopolimerų savarankiškas surinkimas tirpale atsiranda dėl skirtingos abiejų dalių tirpumo. Pusiau kristalinis yra polimero sugebėjimas kristalizuotis, ty tvarkingai sulankstyti. Čia reikalinga prefiksas "pusiau", nes kai polimeras sulankstytas į kristalą, nekristaliniai (amorfiniai) fragmentai visada lieka.

Pav. 3 Polimerai, minimi tekste, jų išvaizda. Skaitmeninis indeksas n polimero pavadinimas reiškia polimerizacijos laipsnį – vidutinis monomero vienetų skaičius polimero molekulėje. P2VP piridino žiedo azotas gali susieti su metalais ir kitomis molekulėmis – savybė, kurią naudojo straipsnio autoriai (žr. Toliau tekste)

Sėkmė su vienmatėmis struktūromis buvo susijusi su tuo, kad puskristalinė blokinio kopolimero dalis buvo daug trumpesnė nei tirpi dalis. Kai savarankiškai surenkamos, ilgai tirpios BSP grandinės ant susidariusio mizelio paviršiaus, trukdančios vienas kitam, neleido sukurti plokščios struktūros ir buvo sukurtas siūlas. Sutrinant tirpios grandinės BSP, micelės arba visiškai neveikė arba nusėdo.

Tada jie nusprendė eksperimentuoti su BSP mišinio su ilgai tirpia dalimi ir grynu poliferkocenilsilanu (PFS) savybiu. Idėja buvo ta, kad papildomos grandinės PFC sokristallizuyas su PPS vienetas kopolimero yra sukurti didesnį paviršiaus plotą, todėl tirpūs grandinės nesikerta vieni su kitais. Mišinys buvo pridėtas į trumpo gijinio micelio tirpalą, kad jie tarnavo kaip kristalizacijos centras.

Po kelių nesėkmingų bandymų eksperimentuoti su SFC mišiniais28-PDMS560/ PFS20 ir SFC38-P2VP502/ PFS20 paspauskite ženklą (4 pav.). Polimerų pridedant prie trumpo micelio tirpalo, susidarė stačiakampių struktūrų atsiradimas ~ 20 nm aukštyje, o jų dydis (plotas) buvo visiškai kontroliuojamas pridėto polimero kiekiu.Kadangi micelių kraštai nėra uždaryti, galite pridėti kitą blokinį kopolimerą ir jis bus pridėtas prie mizelio be likučių.

Pav. 4 A – schematiškai parodyta, kad iš BSP / PPS mišinio gautas stačiakampis micelis, santykis 1: 1 pagal svorį. In – stačiakampio micelio fotografija, gaunama transmisijos elektroniniu mikroskopu (TEM). Su – fotografija, padaryta atominio jėgos mikroskopu (AFM). D – konstrukcijos aukštis, matuojamas AFM. Spalvų kreivė atitinka linijos spalvą ryžiai 4, C – šioje vietoje buvo išmatuotas aukštis. Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio Mokslas

Siekdami įrodyti paviršiaus ploto ir cheminės sudėties kontrolę, autoriai iškėlė miceles, po to PFS-P2VP pradinę stačiakampę micelą (P5P) pridėjo skirtingų spalvų (fluorescuojančių) grupių polimerus. Galite sužinoti daugiau apie spalvų micelles ir kodėl jie čia reikalingi.

Pav. 5 Spalvoti stačiakampiai miceliai, gauti savarankiškai surenkant, nuosekliai įpilant PPS-PDMS su priklijuotų fluorescentinių dažiklių molekulėmis. Viršų eilutė – schema; viduriniosios eilės – vaizdai naudojant konfocalinį mikroskopą; apatinė eilutė – atskirų micelių fotografijos, paimtos naudojant struktūrizuotą apšvietimo mikroskopą (žr. Struktūrinės apšvietimo mikroskopija). Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio Mokslas

Taigi, autoriai parodė sugebėjimą pakaitinti mizelio paviršiaus cheminę sudėtį. Kaip pasinaudoti šia galimybe? Vienas iš savyje surinkto mišinio kompozicijos polimerų, P2VP, gali susieti koordinatinę jungtį su metalais. Pateikę platinos nanodalelės, kurių skersmuo yra 2 nm, mielių tirpalai, kintantys PDMS ir P2VP ant jų paviršiaus, autoriai selektyviai susiejo P2VP grandines, neturėdami įtakos PDMS. Kitaip tariant, P2VP regione paviršius pasirodė esantis kryžminiu ryšiu su platinos nanodalelėmis.

Pridedant tetrahidrofuraną (THF), kuris normaliomis sąlygomis ištirpina visus PPS turinčius bloko kopolimerus, autoriai ištirpino tik PPS-PDMS. Po ištirpimo gaunami nanofragmentai – stačiakampiai susietojo P2VP mizeliai su centre esančia skyle. Skylės gali būti bet kokio dydžio, priklausomai nuo dydžio P2VP ir PDMS blokų (6 pav.). Mišeliuose su plačia diafragma šoninių sienelių storis <100 nm iš tiesų yra vienmačio ir dvimačio nanomedžiagos cikliškas hibridas.

Pav. 6 Priimti nanoframe. Pagrindinę struktūrą sudaro PPS-PDMS.Jame yra sukurtas PPS-P2VP sluoksnis, kuris vėliau yra selektyviai susietas su platinos nanodalelėmis. Netirpusios šerdies tirpimas tetrahidrofurane (THF) suteikia nanodromis. Aukščiau – proceso schema. Žemyn žemyn – atvaizdai nanorezistorių su skirtingo dydžio skylėmis, pagaminti naudojant perdavimo elektroninį mikroskopą (TEM). Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio Mokslas

Įvaldę technologiją, autoriai padarė daug daugiau bandymų parodyti savo galią:

  1. Paruošiami aštuoni pakaitiniai PFS-PDMS ir PFS-P2VP blokai (Fig. 7, A), o blokus galima keisti begalybe.
  2. Mielės taip pat buvo pagamintos iš trijų skirtingų PPS-PDMS blokų, PFS-P2VP ir PFS-PBMA blokų (7 pav., B), ir niekas netrukdo juos pagaminti iš keturių ar penkių skirtingų blokų ir tt
  3. PPS-PDMS ir PPS-P2VP micelles buvo apdoroti silicio dioksido nanodalelėmis (vidutinis skersmuo 70 nm).
    Silicio dioksido dalelėse yra SiOH fragmentai, kurie sudaro P2VP vandenilio ryšius su piridinu. Pav. 7, C, kad nanodalelės (juodos taškai) yra selektyviai pritvirtintos prie P2VP mielių bloko.
  4. Gerai tirpūs miceliai buvo paruošti ilgiu daugiau kaip 60 μm ir pločiu daugiau nei 20 μm be reikšmingų defektų (7 pav., D), o ploto dydis neribojamas tirpumu.
  5. Galiausiai autoriai parodė, kad jų struktūros yra pakankamai stiprios, kad jas būtų galima manipuliuoti optiniais pincetais (7 pav., F), kad jie būtų išdėstyti ant paviršiaus tam tikra tvarka. Pav. 7, E rodo, kaip mikelis su žaliu ratlankiu išdėstomas universiteto pavadinimas, kuriame jie išmoko tai padaryti, sutrumpintai: UOB – Bristolio universitetas.

Pav. 7 A – Mielių iš aštuonių pakaitinių PFS-PDMS ir PFS-P2VP blokų fotografavimas. In – Mielių fotografavimas iš trijų skirtingų blokų (iš centro: PFS-PBMA, PFS-PDMS, PFS-P2VP). Su – PPS-PDMS ir PPS-P2VP micelių, apdorotų silicio dioksido nanodalelėmis (70 nm), fotografavimas pasirinktinai P2VP dėl vandenilinių jungčių. D – Mikelio ilgis daugiau kaip 60 μm ir plotis didesnis kaip 20 μm, paimtas naudojant atominį jėgos mikroskopą (AFM). E – mikroelementų fotografavimas naudojant optinius pincetus akronimu UOB (viršuje); tos pačios vietos vaizdas, paimtas su konfokaliniu mikroskopu (žemyn žemyn). F – Scheminis mizelių manipuliavimo vaizdas su optiniais pincetais. Snapshots A, B, C ir E (viršujepagamintas naudojant perdavimo elektroninį mikroskopą (TEM). Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio Mokslas

Straipsnio autoriai, chemikai ir medžiagų mokslininkai nenustatė užduoties surasti ir demonstruoti unikalias naujas gautų struktūrų fizines savybes. Jie yra įsitikinę, kad fizikai bus suinteresuoti šia technologija ir tęs pradinę revoliuciją. Nuo šiol žinomi PPS turinčių blokų kopolimerai su daugybe cheminių modifikacijų tirpioje dalyje, nanostruktūros gali būti gaunamos, turinčios bet kokį paviršių: nuo biomolekulių iki puslaidininkių, iš geros periodinės lentelės dalies metalų iki sudėtingų molekulinių struktūrų. Autoriai pažymi, kad ateityje ši technologija gali būti naudinga fluorescencinei tomografijai, nanoelektronikai, katalizei, skystiesiems kristalams, mobiliesiems nano- ir mikromačinams ar terapiniams nešiotojams. Yra daug vietų fantazijoms.

Šaltinis: Huibin Qiu, Yang Gao, Charlotte E. Boott, Oliver E. C. Gould, Robert L. Harniman, Mervyn J. Miles, Stephen E. D. Webb, Mitchell A. Winnik, Ian Manners. Vienodi pleiskanoti ir tuščiaviduriai stačiakampiai trombocitų mišeliai iš kristalizuojamų polimerų mišinių Mokslas. 2016. V. 352. I. 6286. P. 697-701.

Gregory Molev


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: