Los científicos de materiales han desarrollado una nueva estrategia para crear nanorods 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 copolímero de bloque que ayudan a crear un compartimento para servir como unreactor químico a escala nanométrica. Los bloques exteriores de los brazos evitan la agregación de los nanorods.
Las estructuras producidas se asemejan a pequeños cepillos de botellas con "pelos" de polímero en la superficie de los nanorod. Los nanorods 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 estrictosobre el diámetro, la longitud y las propiedades de superficie de los nanorods, cuyas propiedades ópticas, eléctricas, magnéticas y catalíticas dependen de los materiales precursores utilizados y las dimensiones de los nanorods.
Los nanorods podrían tener aplicaciones en áreas tales como electrónica, dispositivos sensoriales, conversión y almacenamiento de energía, suministro de medicamentos y tratamiento del cáncer. Utilizando su técnica, los investigadores han fabricado hasta ahora nanocristales metálicos, ferroeléctricos, de conversión ascendente, semiconductores y termoeléctricos uniformes,así como sus combinaciones. La investigación, apoyada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, se informará el 16 de septiembre en la revista Science.
"Hemos desarrollado una estrategia muy general y robusta para crear una rica variedad de nanorods con dimensiones, composiciones, arquitecturas y química de superficie controladas con precisión", dijo Zhiqun Lin, profesor de la Facultad de Ciencias e Ingeniería de Materiales de GeorgiaInstituto de Tecnología. "Para crear estas estructuras, utilizamos copolímeros de bloques no lineales parecidos a cepillos de botella como pequeños reactores para modelar el crecimiento de una gran variedad de nanoalimentos inorgánicos".
Las estructuras de Nanorod no son nuevas, pero la técnica utilizada por el laboratorio de Lin produce nanorods de tamaños uniformes, como el titanato de bario y el óxido de hierro, que aún no se han demostrado a través de enfoques de química húmeda en la literatura y altamentenanorods uniformes de núcleo y cubierta hechos mediante la combinación de 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 usar con este sistema robusto", dijo Lin. "Al elegir un bloque externo diferente en los copolímeros de bloque tipo botella, nuestros nanorods se pueden disolver y dispersar uniformemente en solventes orgánicos".como tolueno o cloroformo, o en agua "
La fabricación de los nanorods comienza con la funcionalización de longitudes individuales de celulosa, un biopolímero económico de cadena larga cosechado de los árboles. Cada unidad de celulosa tiene tres grupos hidroxilo, que se modifican químicamente con un átomo de bromo. La celulosa bromada luego sirve comomacroiniciador para el crecimiento de los brazos de copolímero de bloque con longitudes bien controladas utilizando el proceso de polimerización por radicales de transferencia de átomos ATRP, con, por ejemplo, poli ácido acrílico -bloque-poliestireno PAA-b-PS produciendo celulosa densamente injertadacon PAA-b-PS es decir, celulosa-g- [PAA-b-PS] que dan la apariencia del cepillo de botella.
El siguiente paso implica la partición preferencial de precursores en el compartimento interno de PAA que sirve como un nanoreactor para iniciar la nucleación y el crecimiento de nanorods. Los brazos copoliméricos de bloque densamente injertados, junto con la estructura rígida de celulosa, brindan a los investigadores la capacidad de nosolo evite la agregación de los nanorods resultantes, pero también para evitar que se doblen.
"Los polímeros son como espaguetis largos y quieren enrollarse", explicó Lin. "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 a laestiramiento 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 variedad de nanorods simples solubles en aceite y en agua, nanorods de núcleo-cáscara y nanorods huecos - nanotubos- de diferentes dimensiones y composiciones.
Por ejemplo, mediante el uso de copolímeros triblock con forma de cepillo de botella que contienen brazos copolímeros triblock anfifílicos densamente injertados, los nanorods de núcleo y cubierta pueden formarse a partir de dos materiales diferentes. En la mayoría de los casos, una gran falta de coincidencia de la red entre los materiales del núcleo y la cubierta evitaría la formaciónde estructuras núcleo-caparazón de alta calidad, pero la técnica supera esa limitación.
"Al usar este enfoque, podemos cultivar los materiales del núcleo y la cubierta de forma independiente en sus respectivos nanoreactores", dijo Lin. "Esto nos permite evitar el requisito de unir las redes cristalinas y permite la fabricación de una gran variedad de núcleos y capasestructuras con diferentes combinaciones que de otro modo serían muy difíciles de obtener "
Lin ve muchas aplicaciones potenciales para los nanorods.
"Con una amplia gama de propiedades físicas - ópticas, eléctricas, optoelectrónicas, catalíticas, magnéticas y de detección - que dependen sensiblemente de su tamaño y forma, así como de sus conjuntos, los nanorods producidos son fundamentales y prácticosinterés ", dijo Lin." Las aplicaciones potenciales incluyen óptica, electrónica, fotónica, tecnologías magnéticas, materiales y dispositivos sensoriales, materiales estructurales livianos, catálisis, administración de medicamentos y bio-nanotecnología ".
Por ejemplo, los nanorods 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 recolección mejorada del espectro solar. Los nanorods de conversión ascendente pueden cosechar preferentemente los fotones solares IR, seguidos de la absorciónde fotones emitidos de alta energía para generar fotocorriente adicional en las células solares. También pueden usarse para el etiquetado biológico debido a su baja toxicidad, estabilidad química y luminiscencia intensa cuando son excitados por la radiación IR cercana, que puede penetrar en el tejido mucho mejor que másradiación de energía como la ultravioleta, como a menudo se requiere con etiquetas de puntos cuánticos.
Los nanorods de núcleo y cubierta de óxido de hierro y oro pueden ser útiles en la terapia del cáncer, con imágenes de MRI habilitadas por la cubierta de óxido de hierro y el calentamiento local creado por el efecto fototérmico en el núcleo de nanorod de oro que mata las células cancerosas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Original escrito por John Toon. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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