Самосборка наночастиц - Self-assembly of nanoparticles

Просвечивающая электронная микроскопия изображение оксида железа наночастица. Правильно расположенные точки внутри пунктирной границы - столбцы атомов Fe. Левая вставка - соответствующий электронная дифракция шаблон. Шкала шкалы: 10 нм.[1]
Наночастицы оксида железа можно диспергировать в органическом растворителе (толуол ). После его испарения они могут самостоятельно собраться (левая и правая панели) в микронные размеры. мезокристаллы (в центре) или многослойные (справа). Каждая точка на левом изображении представляет собой традиционный «атомный» кристалл, показанный на изображении выше. Масштабные линейки: 100 нм (слева), 25 мкм (в центре), 50 нм (справа).[1]

Наночастицы классифицируются как имеющие по крайней мере один из трех размеров в диапазоне 1-100 нм.[2] Небольшой размер наночастиц позволяет им иметь уникальные характеристики, которые могут быть невозможны в макромасштабе. Самосборка - это спонтанная организация более мелких субъединиц с образованием более крупных, хорошо организованных паттернов.[3] Для наночастиц эта самопроизвольная сборка является следствием взаимодействий между частицами, направленных на достижение термодинамического равновесия и уменьшение свободной энергии системы. Термодинамическое определение самосборки было введено Николаем А. Котовым. Он описывает самосборку как процесс, при котором компоненты системы приобретают неслучайное пространственное распределение относительно друг друга и границ системы.[4] Это определение позволяет учесть потоки массы и энергии, происходящие в процессах самосборки.

Этот процесс происходит во всех масштабах размеров в форме статической или динамической самосборки. Статическая самосборка использует взаимодействия между наночастицами для достижения минимума свободной энергии. В растворах это результат случайного движения молекул и сродства их сайтов связывания друг к другу. Динамическая система вынуждена не достигать равновесия, снабжая систему непрерывным внешним источником энергии для уравновешивания сил притяжения и отталкивания. Магнитные поля, электрические поля, ультразвуковые поля, световые поля и т. Д. - все это использовалось в качестве внешних источников энергии для программирования роев роботов в небольших масштабах. Статическая самосборка происходит значительно медленнее по сравнению с динамической самосборкой, поскольку она зависит от случайных химических взаимодействий между частицами.[5]

Самостоятельную сборку можно направить двумя способами. Первый заключается в манипулировании внутренними свойствами, включая изменение направленности взаимодействий или изменение формы частиц. Во-вторых, посредством внешних манипуляций путем применения и комбинирования эффектов нескольких видов полей для манипулирования строительными блоками для выполнения задуманного.[6] Чтобы сделать это правильно, требуется чрезвычайно высокий уровень руководства и контроля, а разработка простого и эффективного метода организации молекул и молекулярных кластеров в точные, заранее определенные структуры имеет решающее значение.[7]


История

В 1959 году физик Ричард Фейнман выступил с докладом под названием «Внизу много места " Американскому физическому обществу. Он представил себе мир, в котором «мы могли бы расположить атомы один за другим так, как мы хотим». Эта идея заложила основу для подхода восходящего синтеза, в котором составляющие компоненты взаимодействуют, образуя структуры более высокого порядка контролируемым образом. Изучение самосборки наночастиц началось с признания того факта, что некоторые свойства атомов и молекул позволяют им выстраиваться в структуры. Разнообразные приложения, в которых может быть полезна самосборка наночастиц. Например, строительные датчики или компьютерные микросхемы.

Определение

Самосборка определяется как процесс, в котором отдельные единицы материала спонтанно объединяются в определенную и организованную структуру или более крупные единицы с минимальным внешним направлением. Самосборка признана очень полезным методом для достижения выдающихся качеств как органических, так и неорганических наноструктур.

По словам Джорджа М. Уайтсайдса, «Самосборка - это автономная организация компонентов в шаблоны или структуры без вмешательства человека».[8] Другое определение Сержа Паласена и Рено Демадрилла: «Самосборка - это спонтанный и обратимый процесс, который объединяет вместе в определенной геометрии, беспорядочно движущиеся отдельные тела посредством селективных сил связывания».[9]

Важность

В ознаменование 125-летия журнала Science ученым было предложено решить 25 неотложных вопросов, и единственный из них, касающийся химии, - это «Как далеко мы можем продвинуть химическую самосборку?»[10] Поскольку самосборка - единственный подход к созданию самых разнообразных наноструктур, потребность в увеличении сложности растет. Чтобы учиться у природы и строить наномир с нековалентными связями, необходимы дополнительные исследования в этой области. Самосборка наноматериалов в настоящее время широко рассматривается для наноструктурирования и нанопроизводства из-за своей простоты, универсальности и спонтанности.[11] Использование свойств наносборки является многообещающим недорогим и высокопроизводительным методом для широкого спектра научных и технологических приложений и является ключевым направлением исследований в области нанотехнологий, молекулярной робототехники и молекулярных вычислений.[12] Краткое изложение преимуществ самостоятельной сборки при изготовлении приведено ниже:

  • Самостоятельная сборка - это масштабируемый и параллельный процесс, который может включать большое количество компонентов в короткие сроки.
  • Может привести к структурным размерам на несколько порядков, от наномасштаба до макроуровня.
  • Это относительно недорогое решение по сравнению с подходом сборки сверху вниз, который часто требует больших объемов ограниченных ресурсов.
  • Естественные процессы, приводящие к самосборке, как правило, хорошо воспроизводимы. Существование жизни сильно зависит от воспроизводимости самосборки.[13]

Вызовы

При самосборке существует несколько нерешенных проблем, поскольку это относительно новая область нанотехнологий. В настоящее время самосборку трудно контролировать в больших масштабах, и для широкого применения нам необходимо обеспечить высокую степень воспроизводимости в этих масштабах. Фундаментальные термодинамические и кинетические механизмы самосборки плохо изучены - основные принципы атомистических и макромасштабных процессов могут значительно отличаться от таковых для наноструктур. Понятия, относящиеся к тепловому движению и капиллярному действию, влияют на шкалы времени равновесия и кинетические скорости, которые не определены в самосборных системах.

Нисходящий и восходящий синтез

В сверху вниз подход заключается в разбиении системы на мелкие компоненты, в то время как вверх дном собирает подсистемы в более крупную систему. Подход «снизу вверх» к наносборке является основной целью исследований в области нанопроизводства, поскольку синтез «сверху вниз» является дорогостоящим (требует внешней работы) и не является избирательным на очень малых масштабах длины, но в настоящее время является основным методом промышленного производства. В общем, максимальное разрешение нисходящих продуктов намного грубее, чем у восходящих; Следовательно, доступная стратегия объединения «снизу вверх» и «сверху вниз» реализуема принципами самосборки.[11] Управляя локальными межмолекулярными силами, чтобы найти конфигурацию с наименьшей энергией, самосборка может управляться шаблонами для создания структур, аналогичных тем, которые в настоящее время изготавливаются нисходящими методами. Это так называемое соединение позволит изготавливать материалы с высоким разрешением восходящих методов и большим диапазоном и произвольной структурой нисходящих процессов. Кроме того, в некоторых случаях компоненты слишком малы для нисходящего синтеза, поэтому для реализации этих новых структур требуются принципы самосборки.

Классификация

Наноструктуры могут быть организованы в группы в зависимости от их размера, функции и структуры; эта организация полезна для определения потенциала поля.

По размеру:

К числу наиболее сложных и структурно сложных наноструктур, доступных в настоящее время, относятся органические макромолекулы, сборка которых основана на размещении атомов в молекулярных или протяженных структурах с точностью до атомного уровня. В настоящее время известно, что органические соединения могут быть проводниками, полупроводниками и изоляторами, поэтому одна из основных возможностей науки о наноматериалах заключается в использовании органического синтеза и молекулярного дизайна для создания структур, полезных для электроники. Структурные мотивы в этих системах включают коллоиды, мелкие кристаллы и агрегаты порядка 1–100 нм.

По функциям:

Наноструктурированные материалы также можно классифицировать по их функциям, например, наноэлектроника и информационные технологии (ИТ). Боковые размеры, используемые при хранении информации, сокращаются с микро- до наномасштабов по мере совершенствования производственных технологий. Оптические материалы играют важную роль в разработке миниатюрных хранилищ информации, потому что свет имеет много преимуществ для хранения и передачи по сравнению с электронными методами. Квантовые точки - чаще всего наночастицы CdSe, имеющие диаметр в десятки нм и с защитным поверхностным покрытием - отличаются своей способностью флуоресцировать в широком диапазоне видимого спектра, при этом контролирующим параметром является размер.

По структуре:Определенные структурные классы особенно важны для нанонауки. По мере уменьшения размеров конструкций увеличивается их отношение площади поверхности к объему. Подобно молекулам, наноструктуры в достаточно малых масштабах по существу представляют собой «всю поверхность». Эти поверхностные структуры сильно влияют на механические свойства материалов. Прочность и характер разрушения, пластичность и различные механические модули - все это зависит от субструктуры материалов в различных масштабах. Возможность перестроить науку о материалах, которые изначально наноструктурированы, в значительной степени открыта.

Термодинамика

Самосборка - это равновесный процесс, то есть отдельные и собранные компоненты находятся в равновесии.[14] Кроме того, гибкость и конформация с более низкой свободной энергией обычно являются результатом более слабой межмолекулярной силы между самоорганизованными фрагментами и по существу имеют энтальпийную природу.

Термодинамика процесса самосборки может быть представлена ​​простым уравнением свободной энергии Гиббса:

где если отрицательно, самосборка - это спонтанный процесс. это энтальпия изменение процесса и во многом определяется потенциальной энергией / межмолекулярными силами между собираемыми объектами. изменение в энтропия связанных с формированием упорядоченного расположения. В общем, организация сопровождается уменьшением энтропии, и для того, чтобы сборка была спонтанной, член энтальпии должен быть отрицательным и превышать член энтропии.[15] Это уравнение показывает, что как значение приближается к стоимости и выше критической температуры процесс самосборки будет становиться все менее вероятным, и спонтанная самосборка не произойдет.

Самосборка регулируется нормальными процессами зарождения и роста. Небольшие сборки образуются из-за их увеличенного срока службы, поскольку притягивающие взаимодействия между компонентами снижают свободную энергию Гиббса. По мере роста сборки свободная энергия Гиббса продолжает уменьшаться до тех пор, пока сборка не станет достаточно стабильной, чтобы работать в течение длительного периода времени. Необходимость самосборки, чтобы быть равновесным процессом, определяется организацией конструкции, которая требует формирования неидеальных компоновок до того, как будет найдена конфигурация с наименьшей энергией.

Кинетика

Конечной движущей силой самосборки является минимизация энергии и соответствующая эволюция к равновесию, но кинетические эффекты также могут играть очень важную роль. Эти кинетические эффекты, такие как захват метастабильных состояний, медленная кинетика укрупнения и сборка, зависящая от пути, часто рассматриваются как осложнения, которые необходимо преодолеть, например, при образовании блок-сополимеров.[12][16]

Самостоятельная сборка Amphiphile - это важный восходящий подход к производству передовых функциональных материалов. Самостоятельно собранные материалы с желаемой структурой часто получают с помощью термодинамического контроля. Здесь мы демонстрируем, что выбор кинетических путей может приводить к совершенно разным самособирающимся структурам, подчеркивая важность кинетического контроля в самосборке.[16]

Дефекты

Есть два типа дефектов: равновесные дефекты и неравновесные дефекты.[17]. Самостоятельно собранные конструкции содержат дефекты. Дислокации, возникающие во время сборки наноматериалов, могут существенно повлиять на конечную структуру, и, как правило, полностью избежать дефектов невозможно. Текущие исследования дефектов сосредоточены на контроле плотности дефектов. [23] В большинстве случаев термодинамическая движущая сила для самосборки обеспечивается слабыми межмолекулярными взаимодействиями и обычно имеет тот же порядок величины, что и член энтропии.[18] Для того, чтобы самосборочная система достигла конфигурации с минимальной свободной энергией, должно быть достаточно тепловой энергии, чтобы обеспечить массоперенос самосборных молекул. Для образования дефектов свободная энергия образования единичного дефекта определяется выражением:

Член энтальпии, не обязательно отражает межмолекулярные силы между молекулами, это затраты энергии, связанные с нарушением структуры, и ее можно рассматривать как область, где не происходит оптимального расположения и не происходит снижение энтальпии, связанное с идеальной самосборкой. Пример этого можно увидеть в системе цилиндров с гексагональной упаковкой, в которой существуют дефектные области ламеллярной структуры.

Если отрицательна, в системе будет конечное число дефектов, а концентрация будет определяться выражением:

N - количество дефектов в матрице из N0 самособирающиеся частицы или особенности и - энергия активации образования дефектов. Энергия активации, , не следует путать с . Энергия активации представляет собой разность энергий между начальным состоянием с идеальной компоновкой и переходным состоянием к дефектной структуре. При низких концентрациях дефектов образование дефектов управляется энтропией до тех пор, пока критическая концентрация дефектов не позволит члену энергии активации компенсировать энтропию. Обычно имеется равновесная плотность дефектов, указываемая при минимуме свободной энергии. Энергия активации образования дефектов увеличивает эту равновесную плотность дефектов.[19]

Взаимодействие частиц

Межмолекулярные силы управляют взаимодействием частиц в самоорганизующихся системах. Силы имеют тенденцию быть межмолекулярными по типу, а не ионными или ковалентными, потому что ионные или ковалентные связи «запирают» сборку в неравновесные структуры. Типы межмолекулярных сил, наблюдаемых в процессах самосборки, - это ван-дер-ваальсовы, водородные связи и слабые полярные силы, и это лишь некоторые из них. При самосборке часто наблюдается регулярное структурное устройство, поэтому между молекулами должен быть баланс притяжения и отталкивания, иначе между частицами не будет равновесного расстояния. Силы отталкивания могут быть связаны с перекрытием электронного облака с электронным облаком или электростатическое отталкивание.[нужна цитата ]

Обработка

Процессы самоорганизации наночастиц широко распространены и важны. Понимание того, почему и как происходит самосборка, является ключом к воспроизведению и оптимизации результатов. Как правило, наночастицы будут самоорганизовываться по одной или сразу по двум причинам: молекулярные взаимодействия и внешнее направление.[20]

Самосборка за счет молекулярных взаимодействий

Наночастицы обладают способностью химически собираться за счет ковалентных или нековалентных взаимодействий со своим кэппирующим лигандом.[21] Конечные функциональные группы на частице известны как кэпирующие лиганды. Поскольку эти лиганды имеют тенденцию быть сложными и изощренными, самосборка может обеспечить более простой путь организации наночастиц за счет синтеза эффективных функциональных групп. Например, олигомеры ДНК были ключевым лигандом для самосборки строительных блоков наночастиц посредством специфической организации на основе последовательностей.[22] Однако для обеспечения точной и масштабируемой (программируемой) сборки для желаемой структуры необходимо тщательное позиционирование молекул лиганда на аналоге наночастицы на уровне строительного блока (предшественника),[23][24][25][26] таких как направление, геометрия, морфология, сродство и т. д. Успешный дизайн блоков, из которых строится лиганд, может играть важную роль в производстве широкого спектра новых наносистем, таких как наносенсор системы,[27]наномашины / наноботы, нанокомпьютеры, и многие другие неизведанные системы.

Межмолекулярные силы

Наночастицы могут самособираться в результате их межмолекулярные силы. Поскольку системы стремятся минимизировать свою свободную энергию, самосборка является одним из вариантов достижения системой термодинамического минимума свободной энергии.[20] Наночастицы можно запрограммировать на самосборку, изменяя функциональность их боковых групп, используя слабые и специфические межмолекулярные силы для спонтанного упорядочения частиц. Эти прямые межчастичные взаимодействия могут быть типичными межмолекулярными силами, такими как водородная связь или силы Ван-дер-Ваальса, но также могут быть внутренними характеристиками, такими как гидрофобность или гидрофильность. Например, липофильные наночастицы имеют тенденцию к самоорганизации и образованию кристаллов по мере испарения растворителей.[20] Хотя эти агрегации основаны на межмолекулярных силах, внешние факторы, такие как температура и pH, также играют роль в спонтанной самосборке.

Взаимодействие Хамакера

Поскольку взаимодействия наночастиц имеют место в наномасштабе, взаимодействия частиц должны масштабироваться аналогичным образом. Взаимодействие Гамакера учитывает поляризационные характеристики большого числа соседних частиц и их влияние друг на друга. Взаимодействия Гамакера суммируют все силы между всеми частицами и растворителем (ами), участвующим в системе. Пока Теория Хамакера обычно описывает макроскопическую систему, огромное количество наночастиц в самособирающейся системе позволяет применять этот термин. Константы Гамакера для наночастиц рассчитываются с использованием Теория Лифшица, и часто встречается в литературе.

Константы Гамакера для наночастиц в воде
МатериалА131
Fe3О4[28]22
-Fe2О3[28]26
α-Fe2О3[28]29
Ag[29]33
Au[30]45
Все значения указаны в zJ [28][29][30]

.

Самостоятельная сборка с внешней стороны

Естественная способность наночастиц к самосборке может быть воспроизведена в системах, которые сами по себе не собираются. Направленная самосборка (DSA) пытается имитировать химические свойства самособирающихся систем, одновременно контролируя термодинамическую систему для максимальной самосборки.

Электрические и магнитные поля

Внешние поля - наиболее распространенные директоры самосборки. Электрические и магнитные поля позволяют индуцированным взаимодействиям выравнивать частицы.[31] Поля используют поляризуемость наночастицы и ее функциональных групп.[20] Когда эти индуцированные полем взаимодействия преодолевают случайные Броуновское движение, частицы соединяются в цепочки, а затем собираются. При более умеренных значениях поля упорядоченные кристаллические структуры устанавливаются из-за индуцированных дипольных взаимодействий. Направление электрического и магнитного поля требует постоянного баланса между тепловой энергией и энергиями взаимодействия.

Поля потока

Общие способы включения самосборки наночастиц с потоком включают: Ленгмюр-Блоджетт, покрытие погружением, покрытие потоком и центрифугирование.[32]

Макроскопическое вязкое течение

Макроскопические поля вязкого течения могут направлять самосборку случайного раствора частиц в упорядоченные кристаллы. Однако собранные частицы имеют тенденцию разбираться, когда поток останавливается или удаляется.[20][31] Сдвиговые потоки полезны для заклинивающих суспензий или случайной плотной упаковки. Поскольку эти системы начинаются в неравновесном состоянии, поля течения полезны тем, что помогают системе расслабиться в направлении упорядоченного равновесия. Поля потока также полезны при работе со сложными матрицами, которые сами по себе обладают реологическим поведением. Поток может вызвать анизотропные вязеоупругие напряжения, которые помогают преодолеть матрицу и вызвать самосборку.

Комбинация полей

Наиболее эффективный директор самосборки - это комбинация внешних силовых полей.[20] Если поля и условия оптимизированы, самостоятельная сборка может быть постоянной и полной. Когда комбинация полей используется с наночастицами, которые настроены на внутреннюю чувствительность, наблюдается наиболее полная сборка. Комбинации полей позволяют сохранять преимущества самосборки, такие как масштабируемость и простота, при одновременном управлении ориентацией и формированием структуры. Комбинации полей обладают наибольшим потенциалом для будущих самостоятельных работ по сборке.

Интерфейсы из наноматериалов

Применение нанотехнологий часто зависит от боковой сборки и пространственного расположения наночастиц на границах раздела. Химические реакции могут быть вызваны на границах раздела твердое тело / жидкость, манипулируя расположением и ориентацией функциональных групп наночастиц. Этого можно добиться с помощью внешних раздражителей или прямых манипуляций. Изменение параметров внешних стимулов, таких как световые и электрические поля, оказывает прямое влияние на собранные наноструктуры. Точно так же прямая манипуляция использует преимущества методов фотолитографии, наряду со сканирующей зондовой микроскопией (СЗМ) и сканирующей туннельной микроскопией (СТМ), и это лишь некоторые из них.[33]

Прочные интерфейсы

Наночастицы могут самоорганизовываться на твердых поверхностях после приложения внешних сил (таких как магнитные и электрические). Шаблоны, сделанные из микроструктур, таких как углеродные нанотрубки или блок-полимеры, также могут использоваться для самосборки. Они вызывают направленную самосборку (DSA), в которую встроены активные центры, чтобы избирательно индуцировать осаждение наночастиц. Такие шаблоны представляют собой объекты, на которых можно расположить различные частицы в структуру с морфологией, аналогичной структуре шаблона.[6] Углеродные нанотрубки (микроструктуры), одиночные молекулы или блок-сополимеры являются обычными шаблонами.[6] Часто показано, что наночастицы самоорганизуются на расстояниях нанометров и микрометров, но шаблоны блок-сополимеров можно использовать для формирования четко определенных самосборок на макроскопических расстояниях. Путем включения активных центров на поверхности нанотрубок и полимеров функционализация этих шаблонов может быть изменена, чтобы способствовать самосборке определенных наночастиц.

Жидкие интерфейсы

Понимание поведения наночастиц на границе раздела жидкостей важно для их интеграции в электронику, оптику, сенсорные устройства и устройства для катализа. Молекулярные структуры на границах раздела жидкость / жидкость однородны. Часто они также обеспечивают платформу для исправления дефектов, и поэтому границы раздела жидкость / жидкость идеально подходят для самостоятельной сборки. После самосборки структурное и пространственное расположение можно определить с помощью дифракции рентгеновских лучей и оптического отражения. Количество наночастиц, участвующих в самосборке, можно контролировать, управляя концентрацией электролита, который может находиться в водной или органической фазе. Более высокие концентрации электролита соответствуют уменьшенному расстоянию между наночастицами.[34] Пикеринг и Рамсден работали с интерфейсами масло / вода (O / W), чтобы представить эту идею. Пикеринг и Рамсден объяснили идею пикеринга эмульсий, экспериментируя с эмульсиями парафин-вода с твердыми частицами, такими как оксид железа и диоксид кремния. Они заметили, что коллоиды микронного размера образуют стойкую пленку на границе раздела между двумя несмешивающимися фазами, препятствуя слипанию капель эмульсии. Эти эмульсии Пикеринга образуются в результате самосборки коллоидных частиц в жидких системах, состоящих из двух частей, таких как системы масло-вода. Энергия десорбции, которая напрямую связана со стабильностью эмульсий, зависит от размера частиц, частиц, взаимодействующих друг с другом, и частиц, взаимодействующих с молекулами масла и воды.[35]

Самосборка твердых наночастиц на границе раздела нефть-вода.

Уменьшение полной свободной энергии наблюдалось в результате сборки наночастиц на границе раздела масло / вода. При перемещении к границе раздела частицы уменьшают нежелательный контакт между несмешивающимися жидкостями и уменьшают межфазную энергию. Уменьшение полной свободной энергии микроскопических частиц намного больше, чем уменьшение тепловой энергии, что приводит к эффективному удержанию больших коллоидов на границе раздела. Наночастицы ограничены границей раздела из-за снижения энергии, сравнимого с тепловой энергией. Таким образом, наночастицы легко вытесняются с поверхности раздела. Затем на границе раздела происходит постоянный обмен частицами со скоростью, зависящей от размера частиц. Для равновесного состояния сборки общий выигрыш свободной энергии меньше для более мелких частиц.[35] Таким образом, большие сборки наночастиц более стабильны. Зависимость от размера позволяет наночастицам самоорганизовываться на границе раздела для достижения своей равновесной структуры. Коллоиды микрометровых размеров, с другой стороны, могут находиться в неравновесном состоянии.

Приложения

Электроника

Модель многомерного массива наночастиц. Частица может иметь два вращения: вверх или вниз. Основываясь на направлениях вращения, наночастицы смогут хранить 0 и 1. Следовательно, наноструктурный материал имеет большой потенциал для будущего использования в электронных устройствах.

Самосборка наноразмерных структур из функциональных наночастиц открыла мощный путь к разработке небольших и мощных электронных компонентов.[нужна цитата ] Наноразмерными объектами всегда было трудно манипулировать, потому что они не могут быть охарактеризованы молекулярными методами, и они слишком малы для оптического наблюдения. Но с развитием науки и техники теперь есть много инструментов для наблюдения за наноструктурами. Методы визуализации охватывают электронную, оптическую и сканирующую зондовую микроскопию, включая комбинированный зонд с электронным сканированием и зонд с оптическим сканированием в ближней зоне. Инструменты для определения характеристик наноструктур включают расширенную оптическую спектромикроскопию (линейную, нелинейную, с усовершенствованным наконечником и зонд с накачкой), а также оже- и рентгеновскую фотоэмиссию для анализа поверхности.[36] 2D самосборка коллоидов монодисперсных частиц имеет большой потенциал в плотных магнитных носителях. Каждая коллоидная частица обладает способностью сохранять информацию, известную как двоичное число 0 и 1, после воздействия на нее сильного магнитного поля. Между тем, для селективного выбора коллоидной частицы требуется наноразмерный датчик или детектор. Микрофазовое разделение блок-сополимеров является многообещающим средством создания регулярных наноструктур на поверхностях. Следовательно, они могут найти применение в качестве средств создания новых наноматериалов и структур устройств наноэлектроники.[37]

Биологические приложения

Доставки лекарств

Блок-сополимеры - это хорошо изученный и универсальный класс самособирающихся материалов, характеризующихся химически различными полимерными блоками, которые связаны ковалентными связями.[12] Эта молекулярная архитектура усиления ковалентных связей - это то, что заставляет блок-сополимеры спонтанно формировать наноразмерные узоры. В блок-сополимерах ковалентные связи нарушают естественную тенденцию каждого отдельного полимера оставаться отдельным (как правило, разные полимеры не любят смешиваться), поэтому вместо этого материал собирается в наноразмер.[38] Эти сополимеры обладают способностью самоорганизовываться в однородные наноразмерные мицеллы.[39][40] и накапливаются в опухолях за счет повышенной проницаемости и удерживающего эффекта.[41] Полимерный состав может быть выбран для контроля размера мицелл и совместимости с выбранным лекарственным средством. Проблемы этого приложения заключаются в сложности воспроизведения или контроля размера самособирающейся нано-мицеллы, получения предсказуемого распределения по размерам и стабильности мицеллы с высоким содержанием лекарственного средства.

Магнитная доставка лекарств

Магнитные наноцепи - это класс новых магнитореактивных и суперпарамагнитных наноструктур с сильно анизотропными формами (цепочечные), которыми можно манипулировать с помощью магнитного поля и градиента магнитного поля.[31] Магнитные наноцепи обладают привлекательными свойствами, которые представляют собой значительную добавленную стоимость для многих потенциальных применений, включая наномедицины, связанные с магнитомеханической активацией, в низкочастотном и сверхнизкочастотном переменном магнитном поле и магнитная доставка лекарств.

Клеточная визуализация

Наночастицы обладают хорошей биологической маркировкой и чувствительностью благодаря яркости и фотостабильности; таким образом, определенные самоорганизующиеся наночастицы могут использоваться в качестве контраста изображения в различных системах. В сочетании с полимерными сшивающими агентами интенсивность флуоресценции также может быть увеличена.[42] Модификация поверхности функциональными группами также может привести к селективному биологическому мечению. Самособирающиеся наночастицы также более биосовместимы по сравнению со стандартными системами доставки лекарств.[43]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Веттерског, Эрик; Агте, Майкл; Майенс, Арно; Гринс, Джекабс; Ван, Донг; Рана, субхасис; Ахнияз, Анвар; Салазар-Альварес, немец; Бергстрём, Леннарт (2014). «Точный контроль формы и размера нанокристаллов оксида железа, пригодных для сборки в упорядоченные массивы частиц». Наука и технология перспективных материалов. 15 (5): 055010. Bibcode:2014STAdM..15e5010W. Дои:10.1088/1468-6996/15/5/055010. ЧВК  5099683. PMID  27877722.
  2. ^ Добсон, Питер; Кинг, Стивен; Ярви, Хелен (14 мая 2019 г.). «Наночастица». Британика. Получено 6 мая 2020.
  3. ^ Сервис, Р. Ф. (2005). "Как далеко мы можем продвинуть химическую самосборку?". Наука. 309 (5731): 95. Дои:10.1126 / science.309.5731.95. ISSN  0036-8075. PMID  15994541.
  4. ^ Котов, Николай Александрович (14 декабря 2017 г.). «Самосборка неорганических наночастиц: Ab ovo». Письма Еврофизики. 119 (6): 66008. Bibcode:2017EL .... 11966008K. Дои:10.1209/0295-5075/119/66008.
  5. ^ Ван, Бен; Чжан, Ябинь; Го, Чжигуан; Чжан, Ли (24 октября 2017 г.). «Самосборка наночастиц». материалы сегодня. Получено 6 мая 2020.
  6. ^ а б c Гжельчак, Марек; Vermant, Jan; Ферст, Эрик М .; Лиз-Марзан, Луис М. (2010). «Направленная самосборка наночастиц». САУ Нано. 4 (7): 3591–3605. Дои:10.1021 / nn100869j. ISSN  1936-0851. PMID  20568710.
  7. ^ Шинн, Эрик; Хюблер, Альфред; Лион, Дэйв; Пердекамп, Маттиас Гроссе; Безрядин Алексей; Белкин, Андрей (2013). «Преобразование ядерной энергии с помощью стопок графеновых наноконденсаторов». Сложность. 18 (3): 24–27. Bibcode:2013Cmplx..18c..24S. Дои:10.1002 / cplx.21427. ISSN  1076-2787.
  8. ^ Уайтсайдс, Г. М. (29 марта 2002 г.). «Самостоятельная сборка в любых масштабах». Наука. 295 (5564): 2418–2421. Bibcode:2002Sci ... 295.2418W. Дои:10.1126 / science.1070821. PMID  11923529. S2CID  40684317.
  9. ^ Наноструктура, наносистемы и наноструктурированные материалы: теории, производство и развитие. Сивакумар, П. М. Торонто. ISBN  1-4822-0355-3. OCLC  872699361.CS1 maint: другие (связь)
  10. ^ Сервис, Р. Ф. (1 июля 2005 г.). "Как далеко мы можем продвинуть химическую самосборку?". Наука. 309 (5731): 95. Дои:10.1126 / science.309.5731.95. ISSN  0036-8075. PMID  15994541.
  11. ^ а б Маронгуи; Miglio; Innocenzi (декабрь 2010 г.). «Нисходящий и восходящий подход к самостоятельной сборке многофункциональных пористых пленок». https://boa.unimib.it/bitstream/10281/19116/3/Phd_unimib_716509.pdf.
  12. ^ а б c Чу, Ён У; Majewski, Paweł W .; Фукуто, Масафуми; Osuji, Chinedum O .; Ягер, Кевин Г. (2018). «Разработка путей для высокоуровненных массивов блок-сополимеров». Наномасштаб. 10 (1): 416–427. Дои:10.1039 / C7NR06069F. OSTI  1425014. PMID  29226297. S2CID  206107275.
  13. ^ Этвуд, Джерри Л. (2004). Энциклопедия супрамолекулярной химии. Деккер. ISBN  0-8247-4723-2. OCLC  254049484.
  14. ^ Морено Пирайн, Хуан Карлос, изд. (2011-10-10). Термодинамика - системы в равновесии и неравновесии. Дои:10.5772/1435. ISBN  978-953-307-283-8.
  15. ^ Морено Пирайн, Хуан Карлос, изд. (2011-10-10). Термодинамика - системы в равновесии и неравновесии. Дои:10.5772/1435. ISBN  978-953-307-283-8.
  16. ^ а б Чжэн, Сяоянь; Чжу, Лижэ; Цзэн, Сянцзы; Мэн, Люмин; Чжан, Лу; Ван, Донг; Хуан, Сюйхуэй (2017). "Процессы самосборки амфифил, контролируемые кинетикой". Письма в Журнал физической химии. 8 (8): 1798–1803. Дои:10.1021 / acs.jpclett.7b00160. PMID  28365997.
  17. ^ Морено Пирайн, Хуан Карлос, изд. (2011-10-10). Термодинамика - системы в равновесии и неравновесии. Дои:10.5772/1435. ISBN  978-953-307-283-8.
  18. ^ Морено Пирайн, Хуан Карлос, изд. (2011-10-10). Термодинамика - системы в равновесии и неравновесии. Дои:10.5772/1435. ISBN  978-953-307-283-8.
  19. ^ Морено Пирайн, Хуан Карлос, изд. (2011-10-10). Термодинамика - системы в равновесии и неравновесии. Дои:10.5772/1435. ISBN  978-953-307-283-8.
  20. ^ а б c d е ж Grzelczak, Marek (2010). "Directed Self-Assembly of Nanoparticles". САУ Нано. 4 (7): 3591–3605. Дои:10.1021/nn100869j. PMID  20568710.
  21. ^ Boker, Alexander (2007). "Self Assembly of Nanoparticles at Interfaces". Мягкая материя. 3 (10): 1231–1248. Bibcode:2007SMat....3.1231B. Дои:10.1039/b706609k.
  22. ^ Rogers, W. Benjamin; Ши, Уильям М .; Manoharan, Vinothan N. (2016). "Using DNA to program the self-assembly of colloidal nanoparticles and microparticles". Nature Reviews Материалы. 1 (3): 16008. Bibcode:2016NatRM...116008R. Дои:10.1038/natrevmats.2016.8.
  23. ^ Kim, Jeong-Hwan (2008). "Sequential Solid-Phase Fabrication of Bifunctional Anchors on Gold Nanoparticles for Controllable and Scalable Nanoscale Structure Assembly". Langmuir. 24 (11): 5667–5671. Дои:10.1021/la800506g. PMID  18465887.
  24. ^ Kim, Jeong-Hwan (2010). "Simultaneously Controlled Directionality and Valency on a Water-Soluble Gold Nanoparticle Precursor for Aqueous-Phase Anisotropic Self-Assembly". Langmuir. 26 (24): 18634–18638. Дои:10.1021/la104114f. PMID  21117631.
  25. ^ Kim, Jin-Woo (2012). "DNA-Linked Nanoparticle Building Blocks for Programmable Matter". Angewandte Chemie International Edition. 50 (39): 9185–9190. Дои:10.1002/anie.201102342. PMID  21887825.
  26. ^ Kim, Jin-Woo; Kim, Jeong-Hwan; Deaton, Russell (2012). "Programmable Construction of Nanostructures: Assembly of Nanostructures with Various Nanocomponents". IEEE Nanotechnology Magazine. 6: 19–23. Дои:10.1109/MNANO.2011.2181736. S2CID  45663847.
  27. ^ Kim, Jeong-Hwan; Kim, Jin-Woo (2010). "Controlled chemical functionalization of water-soluble nanoprobes for site-specific biomedical diagnosis". 2010 IEEE International Conference on Nano/Molecular Medicine and Engineering. С. 235–238. Дои:10.1109/NANOMED.2010.5749842. ISBN  978-1-61284-152-6. S2CID  21639971.
  28. ^ а б c d Faure, Bertrand; German Salazar-Alvarez; Lennart Bergstrom (2011). "Hamaker Constants of Iron Oxide Nanoparticles". Langmuir. 27 (14): 8659–8664. Дои:10.1021/la201387d. PMID  21644514.
  29. ^ а б Pinchuck, Anatoliy (2012). "Size-Dependent Hamaker Constants for Silver Nanoparticles". Журнал физической химии. 116 (37): 20099–20102. Дои:10.1021/jp3061784.
  30. ^ а б Subbaraman, Ram (2008). "Estimation of the Hamaker Coefficient for a Fuel-Cell Supported Catalyst System". Langmuir. 24 (15): 8245–8253. Дои:10.1021/la800064a. PMID  18582125.
  31. ^ а б c Kralj, Slavko; Makovec, Darko (27 October 2015). "Magnetic Assembly of Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticle Clusters into Nanochains and Nanobundles". САУ Нано. 9 (10): 9700–9707. Дои:10.1021/acsnano.5b02328. PMID  26394039.
  32. ^ Grzelczak, Marek; Vermant, Jan; Furst, Eric M.; Liz-Marzán, Luis M. (2010-07-27). "Directed Self-Assembly of Nanoparticles". САУ Нано. 4 (7): 3591–3605. Дои:10.1021/nn100869j. ISSN  1936-0851. PMID  20568710.
  33. ^ De Feyter, Steven; De Schryver, Frans C. (2005). "Self-Assembly at the Liquid/Solid Interface: STM Reveals". Журнал физической химии B. 109 (10): 4290–4302. Дои:10.1021/jp045298k. ISSN  1520-6106. PMID  16851494.
  34. ^ Velleman, Leonora; Sikdar, Debabrata; Turek, Vladimir A.; Kucernak, Anthony R.; Roser, Steve J.; Kornyshev, Alexei A.; Edel, Joshua B. (2016). "Tuneable 2D self-assembly of plasmonic nanoparticles at liquid|liquid interfaces" (PDF). Наномасштаб. 8 (46): 19229–19241. Дои:10.1039/C6NR05081F. ISSN  2040-3364. PMID  27759133.
  35. ^ а б Böker, Alexander; He, Jinbo; Emrick, Todd; Russell, Thomas P. (2007). "Self-assembly of nanoparticles at interfaces". Мягкая материя. 3 (10): 1231. Bibcode:2007SMat....3.1231B. Дои:10.1039/b706609k. ISSN  1744–683X.
  36. ^ "Imaging and Manipulation of Nanostructures". foundry.lbl.gov. Получено 2020-05-07.
  37. ^ Moreno Pirajn, Juan Carlos, ed. (2011-10-10). Thermodynamics - Systems in Equilibrium and Non-Equilibrium. Дои:10.5772/1435. ISBN  978-953-307-283-8.
  38. ^ Choo, Youngwoo; Majewski, Paweł W.; Фукуто, Масафуми; Osuji, Chinedum O.; Yager, Kevin G. (2018). "Pathway-engineering for highly-aligned block copolymer arrays". Наномасштаб. 10 (1): 416–427. Дои:10.1039/C7NR06069F. ISSN  2040-3364. OSTI  1425014. PMID  29226297.
  39. ^ Xiong, De'an; He, ZP (13 May 2008). "Temperature-responsive multilayered micelles formed from the complexation of PNIPAM-b-P4VP block-copolymer and PS-b-PAA core-shell micelles". Полимер. 49 (10): 2548–2552. Дои:10.1016/j.polymer.2008.03.052.
  40. ^ Xiong, De’an; Li, Zhe; Zou, Lu; He, Zhenping; Лю, Ян; An, Yingli; Ma, Rujiang; Shi, Linqi (2010). "Modulating the catalytic activity of Au/micelles by tunable hydrophilic channels". Журнал коллоидной и интерфейсной науки. 341 (2): 273–279. Bibcode:2010JCIS..341..273X. Дои:10.1016/j.jcis.2009.09.045. ISSN  0021-9797. PMID  19854448.
  41. ^ Radosz, Maciej; Zachary L. Tyrrell; Youqing Shen (Sep 2010). "Fabrication of micellar nanoparticles for drug delivery through the self-assembly of block copolymer". Progress in Polymer Science. 35 (9): 1128–1143. Дои:10.1016/j.progpolymsci.2010.06.003.
  42. ^ Wang, Chun; Tang, Fu; Ван, Сяоюй; Li, Lidong (2015-06-24). "Self-Assembly of Fluorescent Hybrid Core–Shell Nanoparticles and Their Application". Прикладные материалы и интерфейсы ACS. 7 (24): 13653–13658. Дои:10.1021/acsami.5b03440. ISSN  1944-8244. PMID  26031912.
  43. ^ Tang, Fu; He, Fang; Cheng, Huicong; Li, Lidong (2010-07-20). "Self-Assembly of Conjugated Polymer-Ag@SiO 2 Hybrid Fluorescent Nanoparticles for Application to Cellular Imaging". Langmuir. 26 (14): 11774–11778. Дои:10.1021/la101714q. ISSN  0743-7463. PMID  20545370.