В исследовании во главе с Полом Аливизэтосом, директором Berkeley Lab и профессором Ларри и Дайан Бок Нанотехнологий в Калифорнийском университете (УК) Беркли, исследовательская группа включила в волокна полимера население четвероногих квантовых точек (tQDs) состоящий из селенида кадмия (CdSe) ядро и четыре сульфида кадмия (CD) руки. tQDs были включены в волокна полимера через электровращение среди сегодняшних ведущих методов для обработки полимеров, в которых большое электрическое поле применено к капелькам раствора полимера создать микро – и наноизмеренные волокна. Это – первое известное применение электровращения к tQDs.«Процесс электровращения позволил нам помещать огромную сумму tQDs, до 20 процентов в развес, в волокна с минимальными эффектами на большую часть полимера механические свойства», говорит Аливизэтос. «tQDs способны к флуоресцентному контролю не только простое одноосное напряжение, но и подчеркивают релаксацию и поведение под циклическими переменными грузами.
Кроме того, tQDs упругие и восстанавливаемые, и не претерпевают никакое постоянное изменение в ощущении способности даже на многие циклы погрузки к неудаче».Alivisatos – соответствующий автор статьи, описывающей это исследование в журнале NANO Letters, названном «Четвероногие Нанокристаллы как Флуоресцентные Исследования Напряжения Электропрявших Наносоединений». Соавторы были раджой Shilpa, Эндрю Олсоном, Кари Торкелссоном, Эндрю Луонгом, Лилиан Сюэ, Гуокингом Чангом, Берндом Глудовэцем, Ливеем Лином, Тин Сюем и Робертом Ричи.От левого Эндрю Олсон, Раджа Shilpa и Эндрю Луонг – члены исследовательской группы Пола Аливизэтоса, которая использовала электровращение, чтобы включить четвероногие квантовые расследования напряжения точки волокон полимера. (Фотография Роя Калчмидта)
Наносоединения полимера – полимеры, которые содержат наполнители наночастиц, рассеянных всюду по матрице полимера. Показывая широкий спектр расширенных механических свойств, у этих материалов есть большой потенциал для широкого диапазона биомедицинского и существенного применения. Однако рациональному дизайну препятствовало отсутствие подробного понимания того, как они отвечают на напряжение в микро – и наноразмерный.«Понимание интерфейса между полимером и нанонаполнителем и как усилия переданы через тот барьер, очень важно в восстанавливаемом синтезировании соединений», говорит Аливизэтос. «У всех установленных методов для того, чтобы предоставить эту информацию есть недостатки, включая изменение состава молекулярного уровня и структуры полимера и потенциально ослабления механических свойств, таких как крутизна.
Это поэтому представляло большой интерес, чтобы развивать оптические люминесцентные ощущающие напряжение наночастицы и найти способ включить их в волокнах полимера с минимальным воздействием на механические свойства, которые ощущаются».Исследователи Berkeley Lab справились с этой проблемой, объединив полупроводник tQDs CdSe/CdS, которые были развиты в более раннем исследовании Alivisatos и его исследовательской группы с электровращением.
CdSe/CdS tQDs исключительно подходящий как наноразмерные датчики напряжения, потому что прикладное напряжение согнет руки четвероногих животных, вызывая изменение в цвете их флюоресценции. Большое электрическое поле использовало в электровращении результатов в однородном рассеивании tQD совокупностей всюду по матрице полимера, таким образом минимизируя формирование концентраций напряжения, которые действовали бы, чтобы ухудшить механические свойства полимера. Электровращение также обеспечило намного более сильную связь между волокнами полимера и tQDs, чем предыдущая основанная на распространении техника для использования tQDs, поскольку напряжение исследует, о котором сообщили два года назад Alivisatos и его группа.
Намного более высокие концентрации tQDs могли также быть достигнутым с электровращением, а не распространением.Когда напряжение было применено к наносоединениям полимера, упругие и пластмассовые области деформации легко наблюдались как изменение во флюоресценции tQDs даже при низких концентрациях частицы.
Поскольку концентрации частицы были увеличены, большее изменение флюоресценции за напряжение единицы наблюдалось. tQDs действовал как нетревожащие исследования, который проверяет, доказал, не оказывали негативное влияние на механические свойства волокон полимера никаким значительным способом.«Мы выполнили механические тесты, используя традиционную растяжимую машину тестирования со всеми нашими типами волокон полимера», говорят Раджа Шилпы, ведущий автор Нано статьи Писем наряду с Эндрю Олсоном, обоими членами исследовательской группы Аливизэтоса. «В то время как tQDs, несомненно, изменяют состав волокна – это больше не чистая полимолочная кислота, но вместо этого соединение – мы нашли, что механические свойства соединения и кристалличность фазы полимера показывают минимальное изменение».
Исследовательская группа полагает, что их расследования tQD должны оказаться ценными для множества биологических, отображения и приложений разработки материалов.«Большое преимущество в развитии новых наносоединений полимера должно было бы использовать tQDs, чтобы контролировать наращивание напряжения до существенного отказа видеть, как материал терпел неудачу, прежде чем это на самом деле разбилось», говорит автор co-лидерства Олсон. «tQDs мог также помочь в развитии новых умных материалов, обеспечив понимание, почему соединение или никогда не показало желаемую собственность наночастицы или прекратило показывать ее во время деформации от нормального использования».
Для биологического применения tQD отзывчив силам в масштабе наноньютона, который является суммой силы, проявленной живыми клетками, поскольку они перемещаются в теле. Главный пример этого метастазирует раковые клетки, которые перемещаются через окружающую внеклеточную матрицу.
Другие клетки, которые проявляют силу, включают фибробласты, которые помогают восстановить раны, и кардиомиоциты, мышечные клетки в сердце, которые бьются.«Все эти типы клеток, как известно, проявляют силы наноньютона, но очень трудно измерить их», говорит Раджа.«Мы сделали предварительные исследования, в которых мы показали, что кардиомиоциты сверху слоя tQDs могут быть вызваны биться, и tQD слой покажет флуоресцентные изменения в местах, где клетки бьются.
Это могло быть расширено на окружающую среду, более биологически важную, чтобы изучить эффекты химикатов и наркотиков на метастазе раковых клеток».Другое увлекательное возможное применение – использование tQDs, чтобы сделать умные наносоединения полимера, которые могут ощутить, когда они имеют трещины или собираются сломаться и могут усилить себя в ответ.
«С нашей техникой мы объединяем две области, которые являются обычно отдельными и никогда не объединялись на наноразмерном, оптическом ощущении и наносоединении полимера механическая приспособляемость», говорит Раджа. «Поскольку четвероногие животные невероятно сильны, порядки величины, более сильные, чем типичные полимеры, в конечном счете они могут сделать для более сильных интерфейсов, которые могут самосообщить о нависшем переломе».Это исследование было, прежде всего, поддержано Офисом САМКИ Науки.