Los nanocristales tetrápodos fluorescentes podrían iluminar el camino hacia el futuro diseño de nanocompuestos de polímeros más fuertes. Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha desarrollado una técnica avanzada de detección opto-mecánica basada en puntos cuánticos de tetrápodos que permite una medición precisa de la resistencia a la tracción de las fibras poliméricas con un mínimo impacto en las propiedades mecánicas de la fibra.

En un estudio dirigido por Paul Alivisatos, El director del Berkeley Lab y el Profesor Larry y Diane Bock de Nanotecnología en la Universidad de California (UC) Berkeley, El equipo de investigación incorporó a las fibras de polímero una población de puntos cuánticos tetrápodos (tQD) que consta de un núcleo de seleniuro de cadmio (CdSe) y cuatro brazos de sulfuro de cadmio (CdS). Los tQD se incorporaron a las fibras de polímero mediante electrohilado, entre las técnicas líderes en la actualidad para el procesamiento de polímeros, en el que se aplica un gran campo eléctrico a gotas de solución de polímero para crear fibras de tamaño micro y nano. Esta es la primera aplicación conocida del electrohilado a los tQD.

"El proceso de electrohilado nos permitió poner una enorme cantidad de tQD, hasta un 20 por ciento en peso, en las fibras con efectos mínimos sobre las propiedades mecánicas a granel del polímero, "Dice Alivisatos." Los tQD son capaces de monitorear de manera fluorescente no solo el estrés uniaxial simple, pero enfatiza la relajación y el comportamiento bajo cargas cíclicas variables. Es más, los tQD son elásticos y recuperables, y no experimentan ningún cambio permanente en la capacidad de detección, incluso después de muchos ciclos de carga hasta fallar ".

Alivisatos es el autor correspondiente de un artículo que describe esta investigación en la revista Nano letras titulado "Nanocristales tetrapodos como sondas de tensión fluorescentes de nanocompuestos electrohilados". Los coautores fueron Shilpa Raja, Andrew Olson, Kari Thorkelsson, Andrew Luong, Lillian Hsueh, Guoqing Chang, Bernd Gludovatz, Liwei Lin, Ting Xu y Robert Ritchie.

Los nanocompuestos poliméricos son polímeros que contienen cargas de nanopartículas dispersas por toda la matriz polimérica. Exhibiendo una amplia gama de propiedades mecánicas mejoradas, estos materiales tienen un gran potencial para una amplia gama de aplicaciones biomédicas y de materiales. Sin embargo, El diseño racional se ha visto obstaculizado por la falta de una comprensión detallada de cómo responden al estrés a micro y nanoescala.

"Comprender la interfaz entre el polímero y el nanorrelleno y cómo se transfieren las tensiones a través de esa barrera es fundamental para sintetizar compuestos de forma reproducible, "Dice Alivisatos." Todas las técnicas establecidas para proporcionar esta información tienen inconvenientes, incluida la alteración de la composición y la estructura a nivel molecular del polímero y el debilitamiento potencial de propiedades mecánicas como la tenacidad. Por lo tanto, ha sido de considerable interés desarrollar nanopartículas ópticas luminiscentes sensibles al estrés y encontrar una manera de incrustarlas dentro de fibras poliméricas con un impacto mínimo en las propiedades mecánicas que se están detectando ".

Los investigadores de Berkeley Lab enfrentaron este desafío combinando semiconductores tQD de CdSe / CdS, que fueron desarrollados en un estudio anterior de Alivisatos y su grupo de investigación, con electrohilado. Los tQD CdSe / CdS son excepcionalmente adecuados como sensores de tensión a nanoescala porque una tensión aplicada doblará los brazos de los tetrápodos, provocando un cambio en el color de su fluorescencia. El gran campo eléctrico utilizado en el electrohilado da como resultado una dispersión uniforme de los agregados de tQD a lo largo de la matriz del polímero. minimizando así la formación de concentraciones de tensión que actuarían para degradar las propiedades mecánicas del polímero. El electrohilado también proporcionó una unión mucho más fuerte entre las fibras de polímero y los tQD que una técnica previa basada en la difusión para usar tQD como sondas de tensión que Alivisatos y su grupo informaron hace dos años. También se podrían lograr concentraciones mucho más altas de tQD con electrohilado en lugar de difusión.

Cuando se aplicó tensión a los nanocompuestos poliméricos, Las regiones de deformación elásticas y plásticas se observaron fácilmente como un cambio en la fluorescencia de los tQD incluso a bajas concentraciones de partículas. A medida que aumentaban las concentraciones de partículas, Se observó un mayor cambio de fluorescencia por unidad de cepa. Los tQD actuaron como sondas no perturbadoras que las pruebas demostraron que no afectaban negativamente las propiedades mecánicas de las fibras de polímero de manera significativa.

"Realizamos pruebas mecánicas utilizando una máquina de prueba de tracción tradicional con todos nuestros tipos de fibras de polímero, "dice Shilpa Raja, un autor principal de la Nano letras papel junto con Andrew Olson, ambos miembros del grupo de investigación de Alivisatos. "Si bien los tQD indudablemente cambian la composición de la fibra, ya no es ácido poliláctico puro sino un compuesto, encontramos que las propiedades mecánicas del compuesto y la cristalinidad de la fase polimérica muestran un cambio mínimo".

El equipo de investigación cree que sus sondas tQD deberían resultar valiosas para una variedad de biológicos, aplicaciones de ingeniería de materiales y de imágenes.

"Una gran ventaja en el desarrollo de nuevos nanocompuestos de polímeros sería usar tQD para monitorear la acumulación de tensión antes de la falla del material para ver cómo fallaba el material antes de que realmente se rompiera, "dice el coautor principal Olson." Los tQD también podrían ayudar en el desarrollo de nuevos materiales inteligentes al proporcionar una idea de por qué un compuesto nunca exhibió una propiedad de nanopartículas deseada o dejó de exhibirla durante la deformación por el uso normal ".

Para aplicaciones biológicas, el tQD responde a fuerzas en la escala nanoNewton, que es la cantidad de fuerza que ejercen las células vivas a medida que se mueven dentro del cuerpo. Un buen ejemplo de esto es la metástasis de las células cancerosas que se mueven a través de la matriz extracelular circundante. Otras células que ejercen fuerza incluyen los fibroblastos que ayudan a reparar heridas, y cardiomiocitos, las células musculares del corazón que laten.

"Se sabe que todos estos tipos de células ejercen fuerzas nanoNewton, pero es muy difícil medirlos, "Dice Raja." Hemos realizado estudios preliminares en los que hemos demostrado que se puede inducir a los cardiomiocitos en la parte superior de una capa de tQD a latir y la capa de tQD mostrará cambios fluorescentes en los lugares donde las células están latiendo. Esto podría extenderse a un entorno más relevante desde el punto de vista biológico para estudiar los efectos de las sustancias químicas y las drogas en la metástasis de las células cancerosas ".

Otra aplicación potencial interesante es el uso de tQD para hacer nanocompuestos de polímeros inteligentes que pueden detectar cuándo tienen grietas o están a punto de fracturarse y pueden fortalecerse en respuesta.

"Con nuestra técnica estamos combinando dos campos que normalmente están separados y nunca se han combinado en la nanoescala, Sintonización mecánica de nanocompuestos de polímero y detección óptica, ", Dice Raja." Como los tetrápodos son increíblemente fuertes, órdenes de magnitud más fuertes que los polímeros típicos, en última instancia, pueden crear interfaces más sólidas que pueden informar por sí mismos una fractura inminente ".