В исследовании, проведенном Полом Аливисатосом, директором лаборатории Беркли и профессором нанотехнологий Ларри и Дайан Бок из Калифорнийского университета в Беркли, исследовательская группа включила в полимерные волокна популяцию квантовых точек четвероногих, состоящую из кадмия. -селенидное ядро (CdSe) и четыре плеча сульфида кадмия (CdS). TQD были включены в полимерные волокна посредством электроспиннинга, одного из ведущих на сегодняшний день методов обработки полимеров, при котором большое электрическое поле прикладывается к каплям раствора полимера для создания волокон микро- и наноразмеров. Это первое известное применение электроспиннинга для tQD.«Процесс электроспиннинга позволил нам поместить в волокна огромное количество tQD, до 20 процентов по весу, с минимальным влиянием на механические свойства полимера в объеме», — говорит Аливисатос. «TQD способны флуоресцентно контролировать не только простое одноосное напряжение, но и релаксацию напряжений и поведение при циклических переменных нагрузках.
Кроме того, tQD являются эластичными и восстанавливаемыми и не претерпевают постоянных изменений в чувствительности даже после многих циклов нагружения до отказа. "Аливисатос является автором статьи, описывающей это исследование, в журнале NANO Letters под названием «Нанокристаллы тетрапода как флуоресцентные датчики напряжения для нанокомпозитов с электропрядением». Соавторами были Шилпа Раджа, Эндрю Олсон, Кари Торкельссон, Эндрю Луонг, Лилиан Сюэ, Гуоцин Чанг, Бернд Глудовац, Ливэй Лин, Тинг Сю и Роберт Ричи.Слева направо: Эндрю Олсон, Шилпа Раджа и Эндрю Луонг — члены исследовательской группы Пола Аливисатоса, которые использовали электроспиннинг для включения датчиков напряжения четверных квантовых точек в полимерные волокна. (Фото Роя Кальчмидта)Полимерные нанокомпозиты — это полимеры, которые содержат наполнители из наночастиц, диспергированных по всей полимерной матрице.
Обладая широким спектром улучшенных механических свойств, эти материалы имеют большой потенциал для широкого спектра биомедицинских и материальных применений. Однако рациональному дизайну препятствует отсутствие детального понимания того, как они реагируют на стресс в микро- и наномасштабе.«Понимание границы раздела между полимером и нанонаполнителем и того, как напряжения передаются через этот барьер, имеет решающее значение для воспроизводимого синтеза композитов», — говорит Аливисатос. «Все известные методы предоставления этой информации имеют недостатки, в том числе изменение состава и структуры полимера на молекулярном уровне и потенциально ослабление механических свойств, таких как ударная вязкость. Поэтому разработка оптических люминесцентных чувствительных к напряжению наночастиц представляла значительный интерес. найти способ внедрить их внутрь полимерных волокон с минимальным воздействием на воспринимаемые механические свойства ".
Исследователи из лаборатории Беркли решили эту проблему, объединив полупроводниковые tQD CdSe / CdS, которые были разработаны в более раннем исследовании Аливисатоса и его исследовательской группы, с электроспиннингом. TQD CdSe / CdS исключительно хорошо подходят в качестве датчиков напряжения в нанометровом масштабе, поскольку приложенное напряжение сгибает руки четвероногих, вызывая изменение цвета их флуоресценции.
Большое электрическое поле, используемое при электроспиннинге, приводит к равномерному распределению агрегатов tQD по полимерной матрице, тем самым сводя к минимуму образование концентраций напряжений, которые могут ухудшать механические свойства полимера. Электроспиннинг также обеспечил гораздо более прочную связь между полимерными волокнами и tQD, чем предыдущая основанная на диффузии методика использования tQD в качестве датчиков напряжения, о которой два года назад сообщили Аливисатос и его группа. Гораздо более высокие концентрации tQD также могут быть достигнуты с помощью электроспиннинга, а не диффузии.
Когда к полимерным нанокомпозитам прилагалось напряжение, легко наблюдались упругие и пластические области деформации по сдвигу флуоресценции tQD даже при низких концентрациях частиц. По мере увеличения концентрации частиц наблюдался больший сдвиг флуоресценции на единицу деформации. TQD действовали как не вызывающие возмущения зонды, которые, как показали испытания, не оказывали существенного отрицательного воздействия на механические свойства полимерных волокон.«Мы провели механические испытания с использованием традиционной машины для испытания на растяжение всех наших типов полимерных волокон», — говорит Шилпа Раджа, ведущий автор статьи Nano Letters вместе с Эндрю Олсоном, членами исследовательской группы Alivisatos. «Хотя tQD, несомненно, изменяют состав волокна — это уже не чистая полимолочная кислота, а композит, — мы обнаружили, что механические свойства композита и кристалличность полимерной фазы меняются минимально».
Исследовательская группа считает, что их зонды tQD должны оказаться полезными для различных приложений в биологии, визуализации и материаловедении.«Большим преимуществом при разработке новых полимерных нанокомпозитов было бы использование tQD для отслеживания роста напряжений до разрушения материала, чтобы увидеть, как материал разрушался, прежде чем он фактически распался», — говорит со-ведущий автор Олсон. «TQD также могут помочь в разработке новых интеллектуальных материалов, поскольку они позволят понять, почему композит либо никогда не проявлял желаемое свойство наночастиц, либо переставал проявлять его во время деформации при нормальном использовании».
В биологических приложениях tQD реагирует на силы в масштабе нано-ньютонов, которые представляют собой силу, прилагаемую живыми клетками при их перемещении внутри тела. Ярким примером этого являются метастазирующие раковые клетки, которые перемещаются через окружающий внеклеточный матрикс. Другие клетки, которые проявляют силу, включают фибробласты, которые помогают заживлять раны, и кардиомиоциты, мышечные клетки в сердце, которые бьются.«Известно, что все эти типы клеток проявляют силы наноньютона, но их очень трудно измерить», — говорит Раджа.
«Мы провели предварительные исследования, в которых показали, что кардиомиоциты на поверхности слоя tQD можно заставить биться, а слой tQD будет демонстрировать флуоресцентные сдвиги в местах, где бьются клетки. -соответствующая среда для изучения воздействия химических веществ и лекарств на метастазирование раковых клеток ».Еще одно захватывающее потенциальное применение — это использование tQD для создания интеллектуальных полимерных нанокомпозитов, которые могут определять, когда у них есть трещины или вот-вот разорваться, и могут в ответ усилить себя.«С помощью нашей техники мы объединяем два поля, которые обычно являются отдельными и никогда не объединялись в наномасштабе, оптическом зондировании и механической настройке полимерного нанокомпозита», — говорит Раджа. «Поскольку четвероногие невероятно прочные, на порядки прочнее, чем типичные полимеры, в конечном итоге они могут создавать более прочные интерфейсы, которые могут самостоятельно сообщать о надвигающемся переломе».
Это исследование было поддержано главным образом Управлением науки Министерства энергетики США.