Nanopartikel haben eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, von der Arzneimittelverabreichung über die Elektronik bis hin zur Luftreinigung. Ihre geringe Größe und anpassbaren Eigenschaften machen sie für technologische Fortschritte und wissenschaftliche Forschung besonders wertvoll. Wenn Polymere aus Nanopartikeln zusammengepfropft werden, kann die Funktionalität der Materialien verbessert werden.
Organische Nanopartikel (oNP) sind chemisch vielseitiger als ihre anorganischen Gegenstücke und ermöglichen eine Funktionalisierung und Anpassung an spezifische biomedizinische und technologische Anwendungen. Bestehende Materialien waren jedoch hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften und chemischen Abstimmbarkeit eingeschränkt.
A Kürzlich durchgeführte Studie veröffentlicht von Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (PNAS) untersucht die Auswirkungen der Hyperverzweigung und chemischen Vernetzung von oNP, ein Prozess, bei dem die beiden kombinierten Mechanismen ein dichtes Bindungsnetzwerk erreichen.
Unter der Leitung der Carnegie Mellon-Dozenten Krzysztof Matyjaszewski von der Chemieabteilung und Michael Bockstaller von der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik zeigen die Ergebnisse der Forschung, dass sowohl funktionelle als auch elastische Eigenschaften reguliert werden können, wodurch sich der neuartige „Bottom-up“-Ansatz für die Herstellung funktioneller Materialien für eine breite Palette von Anwendungen eignet. Die Arbeit, die vom Office for Basic Energy Sciences des Energieministeriums unterstützt und in Zusammenarbeit mit Forschern der University of Houston und des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Deutschland durchgeführt wurde, trägt zum grundlegenden Verständnis der Parameter bei, die die Eigenschaften von oNPs steuern, und der chemischen Methoden, die ihre Synthese ermöglichen.
„Durch die Kombination dieser Prozesse konnten wir die Fähigkeit organischer Nanopartikel nachweisen, eine anorganische Steifigkeit aufzuweisen“, sagte Bockstaller.
Diese erweiterte Kontrolle der Struktur und Eigenschaften von oNPs wurde durch eine neuartige und präzise Methode zur Synthese funktionaler Nanopartikel mittels Atomtransfer-Radikalpolymerisation (ATRP) ermöglicht, die vom Chemiedoktoranden Rongguan Yin, dem Erstautor der Studie, entwickelt wurde.
„Bei den durch ATRP funktionalisierten organischen Nanopartikeln, die wir entworfen und präzise hergestellt haben, handelt es sich in der Tat um neue riesige einzelne Makromoleküle mit einer Molmasse von bis zu 100 Millionen Dalton“, sagte Matyjaszewski.
Ein wichtiges Merkmal des neuen oNP-Systems sind seine Makroinitiator-Eigenschaften, die eine vielseitige Transplantatmodifizierung ermöglichen. Die daraus resultierenden bürstengebundenen oNPs erschließen durch direkte Montage oder Integration innovative Anwendungen in einer Reihe von Nanomaterialtechnologien.
„Der Einbau der in dieser Arbeit beschriebenen Funktionalitäten öffnet die Tür für organische Nanopartikel, um die optischen Eigenschaften von Materialien weiter zu verbessern“, sagte Bockstaller.
Zukünftige Forschungsarbeiten der Gruppen von Bockstaller und Matyjaszewski werden auf dieser Forschung aufbauen, um Funktionalisierungsmöglichkeiten wie Fluoreszenz für diese neue Klasse von oNPs weiter zu untersuchen und ihre Leistung in praktischen Anwendungen zu messen.
Mehr Informationen:
Rongguan Yin et al., Organische Nanopartikel mit anpassbarer Größe und Steifigkeit durch Hyperverzweigung und Vernetzung mittels Mikroemulsion-ATRP, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2024). DOI: 10.1073/pnas.2406337121