El profesor de Georgia Tech, Zhiqun Lin, examina una solución de tolueno de nanopartículas de oro. El trabajo es parte de la investigación sobre el uso de copolímeros de bloques en forma de estrella para crear nanocristales de tamaño y forma uniformes. Crédito:Gary Meek
Usando estructuras de copolímero de bloques en forma de estrella como pequeños recipientes de reacción, Los investigadores han desarrollado una técnica mejorada para producir nanocristales con tamaños consistentes, composiciones y arquitecturas, incluidas las metálicas, ferroeléctrico, magnético, nanocristales semiconductores y luminiscentes. La técnica se basa en la longitud de las moléculas de polímero y la proporción de dos disolventes para controlar el tamaño y la uniformidad de los nanocristales coloidales.
La técnica podría facilitar el uso de nanopartículas para óptica, eléctrico, optoelectrónico magnético, catálisis y otras aplicaciones en las que un control estricto sobre el tamaño y la estructura es esencial para obtener propiedades deseables. La técnica produce llano, nanopartículas de núcleo-capa y huecas que se pueden hacer solubles en agua o en disolventes orgánicos.
"Hemos desarrollado una estrategia general para fabricar una gran variedad de nanopartículas en diferentes rangos de tamaño, composiciones y arquitecturas, "dijo Zhiqun Lin, profesor asociado en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales del Instituto de Tecnología de Georgia. "Esta técnica muy robusta nos permite crear una amplia gama de nanopartículas que no se pueden producir fácilmente con ningún otro enfoque".
La técnica fue descrita en la edición de junio de la revista. Nanotecnología de la naturaleza . La investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.
Las estructuras de copolímeros de bloques en forma de estrella consisten en un núcleo central de beta-ciclodextrina al que se unen covalentemente múltiples "brazos", hasta 21 copolímeros de bloques lineales. Los copolímeros de bloques en forma de estrella forman las micelas unimoleculares que sirven como recipiente de reacción y plantilla para la formación de los nanocristales.
Los bloques internos de micelas unimoleculares son ácido poli (acrílico) (PAA), que es hidrofílico, lo que permite que los iones metálicos entren en ellos. Una vez dentro de los diminutos recipientes de reacción hechos de PAA, los iones reaccionan con el PAA para formar nanocristales, que varían en tamaño desde unos pocos nanómetros hasta unas pocas decenas de nanómetros. El tamaño de las nanopartículas está determinado por la longitud de la cadena PAA.
El profesor de Georgia Tech, Zhiqun Lin (de pie) observa al científico investigador Xinchang Pang ajustando la condición experimental en la síntesis de nanocristales. Crédito:Gary Meek
Las estructuras de copolímeros de bloques se pueden hacer con bloques internos hidrófilos y bloques externos hidrófobos:copolímeros de bloques anfifílicos, con las que las nanopartículas resultantes se pueden disolver en disolventes orgánicos. Sin embargo, si tanto los bloques internos como los externos son hidrófilos (todos copolímeros de bloques hidrófilos), las nanopartículas resultantes serán solubles en agua, haciéndolos adecuados para aplicaciones biomédicas.
Lin y colaboradores Xinchang Pang, Lei Zhao, Wei Han y Xukai Xin descubrieron que podían controlar la uniformidad de las nanopartículas variando la proporción de volumen de dos disolventes, dimetilformamida y alcohol bencílico, en los que se forman las nanopartículas. Para nanopartículas de titanato de plomo ferroeléctrico (PbTiO3), por ejemplo, una proporción de disolvente de 9 a 1 produce las nanopartículas más uniformes.
Los investigadores también han elaborado óxido de hierro, óxido de zinc, óxido de titanio, óxido cuproso, seleniuro de cadmio, titanato de bario, oro, nanocristales de platino y plata. La técnica podría ser aplicable a casi todos los iones metálicos e iones organometálicos de transición o del grupo principal, Dijo Lin.
"La cristalinidad de las nanopartículas que podemos crear es la clave para muchas aplicaciones, ", agregó." Necesitamos hacerlos con buenas estructuras cristalinas para que exhiban buenas propiedades físicas ".
Las técnicas anteriores para producir micelas poliméricas con copolímeros de bloques lineales se han visto limitadas por la estabilidad de las estructuras y por la consistencia de los nanocristales que producen. Dijo Lin. Las técnicas de fabricación actuales incluyen síntesis orgánica en fase de solución, termólisis de precursores organometálicos, procesos sol-gel, reacciones hidrotermales y plantillas biomiméticas o dendrímeros. Estas técnicas existentes a menudo requieren condiciones estrictas, son difíciles de generalizar, incluir una serie compleja de pasos, y no puede soportar los cambios en el entorno que los rodea.
El profesor de Georgia Tech, Zhiqun Lin (de pie) y el científico investigador Xinchang Pang comparan dos nanocristales de seleniuro de cadmio (CdSe) fabricados por Pang. Los investigadores están examinando los espectros de absorción de los nanocristales frente a la computadora. Crédito:Gary Meek
Por el contrario, La técnica de producción de nanopartículas desarrollada por los investigadores de Georgia Tech es general y sólida. Las nanopartículas permanecen estables y homogéneas durante largos períodos de tiempo, hasta dos años hasta ahora, sin precipitaciones. Tal flexibilidad y estabilidad podrían permitir una variedad de aplicaciones prácticas, Dijo Lin.
"Nuestros copolímeros de bloques en forma de estrella pueden superar las inestabilidades termodinámicas de los copolímeros de bloques lineales convencionales, ", dijo." La longitud de la cadena de los bloques de PAA internos dicta el tamaño de las nanopartículas, y la uniformidad de las nanopartículas está influenciada por los disolventes utilizados en el sistema ".
Los investigadores han utilizado una variedad de copolímeros de di-block y tri-block en forma de estrella como nanoreactores. Entre ellos se encuentran los copolímeros dibloque de poli (ácido acrílico) -block-poliestireno (PAA-b-PS) y poli (ácido acrílico) -blockpoly (óxido de etileno) (PAA-b-PEO), y poli (4-vinilpiridina) -bloque-poli (acrilato de terc-butilo) -bloque-poliestireno (P4VP-b-PtBA-b-PS), poli (4-vinilpiridina) -bloque-poli (acrilato de terc-butilo) -bloque-poli (óxido de etileno) (P4VP-b-PtBA-b-PEO), poliestireno-bloque-poli (ácido acrílico) -bloque-poliestireno (PS-b-PAA-b-PS) y poliestireno-bloque-poli (ácido acrílico) -bloque-poli (óxido de etileno) (PS-b-PAA-b -PEO) copolímeros de tres bloques.
Para el futuro, Lin imagina nanocristales más complejos con capas multifuncionales y formas adicionales, incluidas las nanovarillas y las denominadas nanopartículas "Janus" que se componen de geometría bifásica de dos materiales diferentes.
