Los científicos de materiales han desarrollado una nueva estrategia para crear nanobarras unidimensionales a partir de una amplia gama de materiales precursores. Basado en una columna vertebral de celulosa, el sistema se basa en el crecimiento de "brazos" de copolímeros de bloque que ayudan a crear un compartimento que sirve como reactor químico a escala nanométrica. Los bloques exteriores de los brazos evitan la agregación de las nanovarillas.

Las estructuras producidas se asemejan a pequeños cepillos de botellas con "pelos" de polímero en la superficie de la nanovarilla. Las nanovarillas varían en tamaño desde unos pocos cientos de nanómetros hasta unos pocos micrómetros de longitud, y unas pocas decenas de nanómetros de diámetro. Esta nueva técnica permite un control estricto sobre el diámetro, propiedades de longitud y superficie de las nanovarillas, cuya óptica, eléctrico, Las propiedades magnéticas y catalíticas dependen de los materiales precursores utilizados y de las dimensiones de las nanovarillas.

Las nanovarillas podrían tener aplicaciones en áreas como la electrónica, dispositivos sensoriales, conversión y almacenamiento de energía, entrega de medicamentos, y tratamiento del cáncer. Usando su técnica, los investigadores han fabricado hasta ahora uniformes metálicos, ferroeléctrico, conversión ascendente, nanocristales semiconductores y termoeléctricos, así como combinaciones de los mismos. La investigación, apoyado por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, fue informado en la edición del 16 de septiembre de la revista Ciencias .

"Hemos desarrollado una estrategia muy general y sólida para crear una rica variedad de nanobarras con dimensiones controladas con precisión, composiciones, arquitecturas y químicas de superficies, "dijo Zhiqun Lin, profesor de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales del Instituto de Tecnología de Georgia. "Para crear estas estructuras, utilizamos copolímeros de bloque no lineales tipo cepillo de botella como pequeños reactores para moldear el crecimiento de una interesante variedad de nanobarras inorgánicas ".

Las estructuras de nanovarillas no son nuevas, pero la técnica utilizada por el laboratorio de Lin produce nanobarras de tamaños uniformes, como titanato de bario y óxido de hierro, que aún no se han demostrado a través de enfoques de química húmeda en la literatura, y nanobarras núcleo-capa altamente uniformes hechas combinando dos materiales diferentes. Lin y el ex asociado de investigación postdoctoral Xinchang Pang dicen que los materiales precursores aplicables a la técnica son prácticamente ilimitados.

"Hay muchos precursores de diferentes materiales disponibles que se pueden utilizar con este sistema robusto, ", Dijo Lin." Al elegir un bloque exterior diferente en los copolímeros de bloque tipo cepillo de botella, Nuestras nanovarillas se pueden disolver y dispersar uniformemente en disolventes orgánicos como tolueno o cloroformo, o en agua ".

La fabricación de las nanovarillas comienza con la funcionalización de longitudes individuales de celulosa, un biopolímero de cadena larga de bajo costo extraído de árboles. Cada unidad de celulosa tiene tres grupos hidroxilo, que se modifican químicamente con un átomo de bromo. La celulosa bromada luego sirve como macroiniciador para el crecimiento de los brazos del copolímero de bloque con longitudes bien controladas utilizando el proceso de polimerización por radicales por transferencia de átomos (ATRP), con, por ejemplo, poli (ácido acrílico) -bloque-poliestireno (PAA-b-PS) que produce celulosa densamente injertada con PAA-b-PS (es decir, celulosa-g- [PAA-b-PS]) que le dan a la botella una apariencia de cepillo.

El siguiente paso implica la partición preferencial de los precursores en el compartimento interior de PAA que sirve como un nanoactor para iniciar la nucleación y el crecimiento de las nanovarillas. Los brazos de copolímero de bloque densamente injertados, junto con el esqueleto rígido de celulosa, dar a los investigadores la capacidad no solo de prevenir la agregación de las nanovarillas resultantes, sino también para evitar que se doblen.

"Los polímeros son como espaguetis largos y quieren enrollarse, "Lin explicó." Pero no pueden hacer esto en las macromoléculas complejas que hacemos porque con tantos brazos de copolímero de bloque formados, No hay espacio. Esto conduce al estiramiento de los brazos, formando una estructura muy rígida ".

Al variar la química y el número de bloques en los brazos de los copolímeros de bloque tipo cepillo de botella, Lin y sus compañeros de trabajo produjeron una serie de nanobarras simples solubles en aceite y en agua, nanobarras núcleo-caparazón, y nanobarras huecas - nanotubos - de diferentes dimensiones y composiciones.

Por ejemplo, mediante el uso de copolímeros tribloque similares a un cepillo de botella que contienen brazos de copolímero tribloque anfifílico densamente injertados, las nanobarras núcleo-caparazón se pueden formar a partir de dos materiales diferentes. En la mayoría de los casos, un gran desajuste de celosía entre los materiales del núcleo y la carcasa evitaría la formación de estructuras de núcleo-carcasa de alta calidad, pero la técnica supera esa limitación.

"Al utilizar este enfoque, podemos hacer crecer los materiales del núcleo y la cáscara de forma independiente en sus respectivos nano-reactores, ", Dijo Lin." Esto nos permite eludir el requisito de hacer coincidir las celosías de cristal y permite la fabricación de una gran variedad de estructuras de núcleo y capa con diferentes combinaciones que de otro modo sería muy difícil de obtener ".

Lin ve muchas aplicaciones potenciales para las nanobarras.

"Con una amplia gama de propiedades físicas:ópticas, eléctrico, optoelectrónico catalítico, magnético, y detección, que dependen sensiblemente de su tamaño y forma, así como de sus ensamblajes, las nanovarillas producidas son de interés fundamental y práctico, "Lin dijo." Las aplicaciones potenciales incluyen óptica, electrónica, fotónica, tecnologías magnéticas, materiales y dispositivos sensoriales, materiales estructurales ligeros, catálisis, entrega de medicamentos, y bio-nanotecnología ".

Por ejemplo, Las nanovarillas de oro simple de diferentes longitudes pueden permitir una absorción plasmónica efectiva en el rango del infrarrojo cercano para su uso en la conversión de energía solar con una mejor captación del espectro solar. Las nanovarillas de conversión ascendente pueden recolectar preferentemente los fotones solares IR, seguido de la absorción de fotones de alta energía emitidos para generar una fotocorriente adicional en las células solares. También se pueden utilizar para el etiquetado biológico debido a su baja toxicidad, estabilidad química, y luminiscencia intensa cuando se excita con radiación infrarroja cercana, que puede penetrar el tejido mucho mejor que la radiación de mayor energía como la ultravioleta, como suele ser necesario con las etiquetas de puntos cuánticos.

Las nanovarillas núcleo-caparazón de óxido de hierro y oro pueden ser útiles en la terapia del cáncer, con imágenes de resonancia magnética habilitadas por la capa de óxido de hierro, y el calentamiento local creado por el efecto fototérmico en el núcleo de la nanovarilla de oro que mata las células cancerosas.