Bioopatinė optiškai ir termiškai reaguojančių nanoporinių membranų sintezė | NPP Azijos medžiagos

Bioopatinė optiškai ir termiškai reaguojančių nanoporinių membranų sintezė | NPP Azijos medžiagos

Anonim

Dalykai

  • Bioįkvėptos medžiagos
  • Projektavimas, sintezė ir apdorojimas

Anotacija

Porelių membranų, kurios, reaguodamos į išorinius, neinvazinius dirgiklius, gali greitai pakeisti srautą, plėtra yra plačiai pritaikoma įvairiose srityse, pradedant biomedicininiais prietaisais ir baigiant architektūra. Aplinkai reaguojančios membranos vaidina pagrindinį vaidmenį kuriant prietaisus, naudojamus cheminiuose jutikliuose, biologiniuose rūšiuotuvuose, sekose, atskyrimuose, didelio pralaidumo medicinos prietaisuose ir laboratorijose lusto srityje. Šių jautrių porėtų membranų projektavimas ir inžinerija buvo pasiektas sujungiant porėtas membranas su polimerinėmis medžiagomis, kurios gali pakeisti jų fizinę struktūrą, reaguodamos į slėgį, šilumą, pH ar skirtingas chemines medžiagas. Įkvėptas fototropinio koleoptilių augimo ir šviesos skleidžiamo mechanizmo, kurį augalai naudoja savo stiebeliui atverti, šiame darbe buvo suprojektuotos, matematiškai modeliuojamos ir sintezuotos į šviesą reaguojančios poringos membranos. Šis biologiškai įkvėptas požiūris paskatino pažangiausią projektavimo techniką ir prietaisą, kuris pralenkia natūralų atitikmenį ir gali mažiau nei per kelias minutes grįžtamai valdyti srauto greitį nuo 0, 001 iki 0, 035 ml −1 cm – 2, naudodamas mažiau nei kelias minutes. neinvazinis šviesos stimulas. Mes manome, kad polimerinės reaguojančios membranos ir platformos sintezės technika, naudojama šiame rankraštyje, jų gamybai gali būti panaudotos įvairiose srityse ir turės didelį poveikį skysčių tvarkymo, biomedicinos didelio pralaidumo prietaisų, jutiklių, medicinos srityse. ir kitos chemijos, biologijos ir mechaninės inžinerijos sritys.

Įvadas

Nanoporinių membranų, galinčių pakeisti jų pralaidumą reaguojant į aplinkos dirgiklių pokyčius, kūrimas yra labai patraukli tyrimų sritis. 1, 2, 3 Ekologiškos poringos membranos (ERPM) yra plačiai pritaikomos, įskaitant jutikliuose, biologiniame atskyrime, vaistų tiekimo sistemose ir vožtuvuose, kurie yra skirti sujungti mikrofluidines sistemas ir valdyti srautą. 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 Ilgus dešimtmečius į ERPM kūrimo pastangas buvo kreipiamasi daugiausia jungiant aplinkai jautrius polimerus prie polimerinių porėtų membranų. Ši technika leidžia greitai 'įjungti / išjungti' įjungimą ir srauto valdymą, nes ji sinergizuoja cheminį stabilumą ir mechaninį polimero membranos stiprumą su greitu laisvųjų polimerų grandinių, reaguojančių su jomis chemiškai, greito reagavimo laikais. Dėl to susidaro skirtingos kompozicinės membranos, galinčios pakeisti savo efektyvųjį porų dydį su aplinkos veiksniais, tokiais kaip pH ir jonų stipris, 13, 14 temperatūra, 15 cheminių dalių, tokių kaip gliukozė, 16 ir naujausios, lengvos, 17, 18, Buvo sukurta 19 .

Nepaisant dešimtmečius trukusių intensyvių tyrimų šioje srityje, pasirodė, kad ERPM gaminti yra labai sudėtinga. Ekologiškos membranos vis dar kenčia nuo problemų, kurios riboja jų praktinį pritaikymą. Viena iš sunkiausių problemų yra sistemos, leidžiančios greitai reaguoti į srautą, kurią galima valdyti naudojant išorinį stimulą ir kuriai nereikia keisti visos sistemos aplinkos sąlygų, inžinerija.

Šiame darbe įkvėpimas kurti ir suprojektuoti ERPM, galintį greitai valdyti srautus naudojant neinvazinį dirgiklį (šviesą), kilo iš gamtos. Natūraliose sistemose šviesos konvertavimas į kitą energijos pavidalą vyksta per fotoreceptorius arba chloroforus. Tai būdingas fototropiniam koleoptilinių augalų augimui 20, kai šviesa paverčiama chemine reakcija arba „įjungiama / išjungiama“ stomata augaluose, veikiama šviesos poveikio (1a schema). 21 Šiame darbe pristatyta sistema buvo suprojektuota taip, kad joje būtų opto-mechaninis energijos keitiklis, galintis valdyti srautą, mechaniškai perjungdamas ERPM poras iš „įjungimo“ į „išjungtą“, reaguojant į šviesą (1b schema). Šiuo tikslu buvo pagamintas sintetinis chloroforo analogas, chemiškai sintezuojant kompozicinę medžiagą, kuri į temperatūrą reaguojančius biopolimerus sujungė su metalinėmis nanodalelėmis (1c schema). Metalinės nanodalelės yra puikūs šilumos ir šilumos keitikliai, o kai jos yra sujungtos su polimerine medžiaga, kuri dėl šilumos greitai keičia savo fizinę struktūrą, gaunami puikūs vartai, kuriuos galima įtraukti į nanoporų (1a ir b schemos). Sistemos dizainas, parodytas 1b schemoje, įveikė lėto reagavimo laiko iššūkius ir reikalavimą pakeisti masinės sistemos sąlygas, kad būtų galima valdyti srautą.

Image

Šviesos sukeltos reakcijos į natūralias sistemas. a ) Kairiajame skydelyje parodyta koleoptilių fototropinio augimo mechanizmo schema. Šios sistemos fotoatsakymas pateikiamas dienų tvarka. Energijos konvertavimas, vykstantis šiame reiškinyje, yra toks: fotoreceptoriai stimuliuoja cheminį atsaką augimo hormono pavidalu, kuris sukelia mechaninį stimulą augimo forma tam tikra kryptimi. Dešiniajame skydelyje parodyta fotoelektrinio mechanizmo, kuriuo augaluose atidaromi ir uždaromi stiebai, schema. Šios sistemos fotoatsakymas pateikiamas valandų tvarka. Energijos konversija, vykstanti šiame reiškinyje, yra tokia: chromoforai stimuliuoja cheminį atsaką, atsirandantį dėl cheminio potencialo, kuris sukelia mechaninį stimulą, padidėjusio turgorinio slėgio, leidžiančio atidaryti stomatą, pavidalu. ( b ir c ) Suprojektuokite sintetinę į fotoaparatą reaguojančią sistemą. ( b ) Sistemų schema, parodanti, kaip akytos membranos nanoporos gali būti įjungiamos iš „įjungtos“ į „išjungtas“, reaguojant į šviesos stimulą. Sistemos reakcijos laikas yra sekundžių tvarka. c ) Parodytas perjungimo mechanizmas ir sistemoje vykstanti energijos konversija: metalinės nanodalelės paverčia šviesą vietiniu šildymu, o kaitinimas stimuliuoja mechaninį atsaką, fiziškai keičiantis kūne. termiškai reaguojantis polimeras. Šis konformacinis pokytis galiausiai leidžia uždaryti ar atidaryti poras.

Visas dydis

Šiame rankraštyje aprašomas grįžtamojo greitai reaguojančio ERPM, naudojančio šviesą tam tikruose bangos ilgiuose srauto greičiui projektuoti, matematinis modelis ir gamybos sintezė. Šiame darbe siūloma sukurti sintezės kelią optiškai šilumai reaguojančio polimero – nanodalelių nanokompozitų skiepijimui į polikarbonato vėžiu išgraviruotas porėtas membranas (PCTEPM). Sintezė apima išankstinį poli ( N- izopropilo akrilamido) (PNIPAM) grandinių įskiepijimą į polikarbonato membranos sienas, po to metalo druskos HAuCl 4 redukcija in situ . Siūlomas sintezės kelias pagrįstas ankstesniu mūsų darbu, 11, 22, 23, kuriame aprašomas PNIPAM gebėjimas būti sujungtam su metalo dalelėmis, valdyti jų dydį ir formą bei sudaryti optiškai terminiai reaguojančias nanokompozitines medžiagas. 22, 23

Mes pristatome moderniausią bioįkvėpimo būdą ir įrenginį, kuriame naudojami supaprastinti mechanizmai, skirti pralenkti natūralaus ekrano „įjungimo / išjungimo“ jungimą. „Įjungimo / išjungimo“ jungimas yra grįžtamas ir daug greitesnis nei kitų metodų. Reaguoti reikia tik per kelias sekundes, kaip prognozuoja sistemos matematinis modeliavimas. Įrenginys taip pat geriau kontroliuojamas, palyginti su fotoreceptoriais, gautais koleoptiluose (kurių reakcijos laikas yra kelių valandų eilutėje) 20 ir chloroforuose augaluose (kurių reakcijos laikas yra minučių tvarka) 21 (1 schema). Todėl manome, kad šios optiškai reaguojančios porėtos membranos bus naudojamos skysčių tvarkymui, biomedicinos didelio pralaidumo prietaisams, jutikliams, medicinai ir kitose chemijos, biologijos ir mechaninės inžinerijos srityse.

Rezultatai ir DISKUSIJA

Sintezės kelias, sukurtas PNIPAM – metalo nanokompozitų įtraukimui į PCTEPM, apima du etapus. Iš pradžių PNIPAM grandinės skiepijamos prie PCTEPM paviršiaus inicijuojant plazmą. Po to skiepytos membranos (gPCTEPM) veikiamos metalinės druskos HAuCl4 vandeniniu tirpalu, kuris in situ yra redukuojamas naudojant AsA. Galiausiai tai pasiekia polimero transplantatų sujungimą su metalinėmis dalelėmis (2 schema).

Image

NPCgPCTEPM sintezės kelias. Iš pradžių PNIPAM grandinės skiepijamos prie PCTEPM paviršiaus inicijuojant plazmą. Po to skiepytos membranos (gPCTEPM) veikiamos metalinės druskos HAuCl4 vandeniniu tirpalu, kuris in situ yra redukuojamas naudojant AsA. Pagaliau pasiekiama polimero transplantatų susiejimas su metalinėmis dalelėmis.

Visas dydis

Sintezės būdas įtraukti PNIPAM į PCTEPM

Šiame darbe buvo tiriama „skiepijimo nuo“ technika, norint sujungti polimerines medžiagas ant paviršių. Įrodyta, kad šis metodas kontroliuoja reakciją ir gauna aukšto paviršiaus skiepyto polimero tankį. 25 Literatūroje buvo pranešta apie keletą paviršiaus „skiepijimo iš“ metodų, įskaitant cheminį skiepijimą, 25 plazmos, 24, 26 radiacijos 13, 19, 27, 28 ir fotoindukuotą skiepijimą. 29, 30 Anksčiau aprašyta plazmos sukelta skiepijimo technika 24 buvo pasirinkta skiepyti PNIPAM į PCTEPM, nes ji turėjo keletą pranašumų įtraukiant norimas savybes į PC membraną. Plazmos sukeltas skiepijimas leidžia kontroliuoti PNIPAM grandinių skiepijimo vietą ant membranos paviršiaus arba ant porų sienelių. 24 Be to, gydymas plazma daro įtaką tik išorinėms membranos savybėms, nepakeisdamas jos tūrinių savybių. 26

Plazmos sukeltas skiepijimas susideda iš PCTEPM veikimo deguonies plazmos debesyje (šiuo atveju oro), kad membranos paviršiuje susidarytų metastabilūs cheminiai radikalai, kurie galų gale tarnautų kaip skiepijimo polimerizacijos reakcijos iniciatoriai dalyvaujant monomerui ( NIPAM). Po apdorojimo plazma, bet prieš pradedant paviršiaus polimerizaciją, membrana buvo sudrėkinta etanoliu, kad būtų skatinamas polimero įsiskverbimas į poras. 14 Po to plazma apdorotos membranos buvo paveiktos 5 masės% NIPAM monomero tirpalu 30 ir 20 ° C temperatūroje, kad būtų galima pradėti paviršiaus polimerizaciją. Taigi polimeras buvo galutinai įskiepytas į membranos paviršių membranos viršuje ir porų sienose, bet ne apačioje, kur plazmos debesis negalėjo pasiekti. Pirmuoju bandymu išbandyti polimero įsodinimą į membranas, membranos buvo priklijuojamos prie „Pasteur“ pipetės galiuko, o į pipetę buvo įpilama 5 cm vandens kolona. Mes pastebėjome, kad kambario temperatūroje membranos, skiepytos 20 ° C temperatūroje, turėjo žymiai didesnius srautus, palyginti su membranomis, skiepytomis 30 ° C temperatūroje, kur vandens pratekėjimas iš esmės buvo užkimštas. Šis rezultatas parodė, kad 30 ° C skiepijimo polimerizacija buvo efektyvesnė membranos porų uždengimui; todėl tolesnė sąlyga buvo polimerizacija 30 ° C temperatūroje.

Polimerų graftų lokalizacija kiekviename gPCTEPM mėginyje buvo analizuojama naudojant SEM ir AFM. 1a ir b pav. Parodyta atitinkamai PCTEPM valdymo paviršiaus ir vidaus porų struktūra. GPCTEPM paviršius parodytas 1c paveiksle, o porų vidinė struktūra gali būti stebima 1d paveiksle. Fiziniai SEM atvaizdų skirtumai tarp kontrolinių PCTEPM ir gPCTEPM yra labai maži, nes PNIPAM skiepai ir polikarbonatas, iš kurio gaminami PCTEPM, yra amorfiniai polimerai. Nepaisant to, skiepytose membranose poros, atrodo, turi ploną plėvelę, dengiančią jas. Be to, tarp pavyzdžių galima pastebėti ir kitų nedidelių skirtumų, tokių kaip aštrumo praradimas kraštuose (1a – d paveikslai). Be to, membranų analizė naudojant AFM leido pamatyti įskiepytą PNIPAM į PC membranas, kaip galima pastebėti lyginant PCTEPM su gPCTEPM (papildomi paveikslai S2a ir b).

Image

Poli ( N- izopropilo akrilamidas) (PNIPAM), įterptas į polikarbonato išgraviruotas porėtas membranas (PCTEPM). ( a - d ) PCTEPM skenavimo elektroninės mikroskopijos mikrografijos. a) Kontroliuoti PCTEPM paviršių be PNIPAM skiepų. b ) Tvarkinga kontrolinio PCTEPM vidinė struktūra be PNIPAM skiepų. c ) PCTEPM, skiepyto PNIPAM, paviršiaus ir d ) jo vidinė struktūra.

Visas dydis

Nanodalelių sujungimas su PNIPAM transplantatais poringoje membranoje

Metalinių dalelių susiejimas su PNPAM skiepūgliais gPCTEPM pasiekiamas in situ redukuojant metalinę druską, HAuCl 4. Membrana su PNIPAM skiepų panardinta į vandeninį metalinės druskos tirpalą, po to pridedant AsA., reduktorius. Pridėjus redukuojančio agento, vandeninis aukso tirpalas seka tipinius nanodalelių redokso sintezės spalvos pokyčius ir tęsiasi iki galo, nedalyvaujant stabilizuojančiam ir ribojančiam agentui. Iš pradžių reakcija greitai tampa raudona, o po to greitai pereina į tamsesnius mėlynos spalvos atspalvius. Galiausiai, link reakcijos pabaigos, dalelės sudaro labai didelius agregatus. Tačiau kai gPCTEPM ištraukiami iš reakcijos tirpalo, membranos spalva yra šviesiai rubino raudona; spalva, kuri pastebima aukso nanodalelėse, kurių skersmuo 10–50 nm, dėl jų paviršiaus plazmoninio rezonanso. 23 Taip pat pažymime, kad su nanodalelėmis sujungto gPCTEPM UV-spektro spektras, skirtingai nei kontrolinis gPCTEPM, rodo smailę nuo 510 iki 570 nm, būdingą aukso nanodalelėms 23 (papildomas paveikslas S1). Šis rezultatas parodo, kad į porėtas membranas įsodintas PNIPAM veikia kaip stabilizuojantis ir ribojantis agentas metalinių nanodalelių sintezėje. Šią išvadą tvirtai patvirtina mūsų ankstesnis darbas, kuriame buvo sukurtas sintezės metodas, skirtas kontroliuoti Ag ir Au nanodalelių dydį ir formą, sujungiant metalines nanodaleles su reaguojančiais polimerais (PNIPAM). 22, 23 Buvo pastebėta, kad aminų grupė PNIPAM 22, 23 ir kituose polimeruose 31 gali sąveikauti su metalu, leidžianti stabilizuoti nanodaleles, kurios leidžia valdyti dydį ir formą.

Susintetinių nanodalelių, sujungtų su polimero transplantatais, dydis ir forma buvo analizuojami naudojant SEM ir AFM. Kaip aukso metalo druskos sumažinimo in situ kontrolė, 2a ir b paveiksluose pavaizduoti aukso nanodalelės, susidariusios PCTEPM paviršiuje ir porose be PNPIAM skiepų. Membranų su AFM analizė parodė, kad PC membranose yra įskiepytas nanokompozitas, kaip galima pastebėti palyginus PCTEPM su NP sujungtu gPCTEPM (papildomi S2a ir c paveikslai). Be to, galima pastebėti, kad dauguma dalelių yra sukauptos ir nevienalytiškai pasklidusios ant membranos. Be to, porose pastebimos tik kelios dalelės (2b paveikslas). Tačiau membranoms, kurios anksčiau buvo skiepytos PNIPAM, in situ sintezuotos aukso nanodalelės yra sferinės formos ir yra vienodai išsklaidytos membranos paviršiuje (2c paveikslas) ir porose (2d paveikslas). Šie rezultatai aiškiai rodo, kad PNIPAM skiepūgliai ne tik sugeba kontroliuoti aukso nanodalelių sintezę, bet ir gali prie jų prisijungti. Be to, 2d paveiksle parodytas dalelių buvimas gPCTEPM porose, o tai taip pat yra netiesioginis PNIPAM skiepų buvimo poringos membranos porose įrodymas.

Image

Metalinės aukso nanodalelės, įterptos į skiepytą polikarbonato išpjaustytą porėtą membraną (gPCTEPM). ( a - d ) PCTEPM skenavimo elektroninės mikroskopijos mikrografijos. a ) Kontrolinis PCTEPM paviršius be poli ( N- izopropilo akrilamido) (PNIPAM) skiepų, po to, kai in situ buvo susintetinti aukso nanodalelės. b ) švari vidinė a . c ) PCTEPM, skiepyto PNIPAM ir aukso nanodalelėmis, paviršiaus ir d ) vidinė struktūra buvo susintetinta in situ .

Visas dydis

Vidutinis membranų paviršiuje susidariusių aukso nanodalelių skersmuo yra 42 nm (3a paveikslas). Šis skersmuo yra 60% didesnis nei vidutinis dydis, apie kurį anksčiau buvo pranešta sintezei ankstesniame darbe, kuris buvo atliktas tirpale, kuriame yra PNIPAM, veikiančio kaip uždengimo ir stabilizuojantis agentas. 23 Be to, dalelių, susidariusių reakcijos metu skiepytų membranų paviršiuje, sd yra ∼ 40%. Palyginus su SD, anksčiau gautu reakcijai tirpale, šio tyrimo SD yra šiek tiek didesnis nei naudojant aukštą polimero ir aukso santykį (22% gauta tirpale), tačiau panašus į 35%, gautą esant žemiems polimero ir aukso santykiams. . 23 Didesnis sd gali būti priskirtas dėl PNIPAM grandinių susilpnėjimo kontroliuojant dydį, nes jos yra įskiepytos į substratą, kurio vienas grandinių galas yra imobilizuotas.

Image

Metalinių aukso nanodalelių, įterptų į polikarbonato išpjaustytas porėtas membranas (PCTEPM), dydžio pasiskirstymas. a ) In situ sintezuotų aukso nanodalelių pasiskirstymas gPCTEPM paviršiuje pagal dydį. Vidutinis dydis yra 42 nm skersmuo, o sd yra 40%. ( b ) aukso nanodalelių, sintezuotų in situ gPCTEPM porose, dydžio pasiskirstymas. Vidutinis dydis yra 78 nm skersmuo, o sd yra 22%.

Visas dydis

Ant paviršiaus rastų dalelių pasiskirstymas pagal dydį (3a pav.) Buvo palygintas su dalelių, rastų mėginių porose (3b paveikslas). Remiantis duomenimis, galima pastebėti du skirtumus. Pirma, vidutinis porose susidarančių dalelių, kurių skersmuo 78 nm, dydis yra 45% didesnis nei paviršiaus paviršiaus dalelių. Be to, porose susiformavusių dalelių pasiskirstymas pagal dydį yra 70% mažesnis nei dalelių, susidariusių membranos paviršiuje. Šiuos reiškinius galima priskirti difuzijos efektui nanoporose, kuris padeda kontroliuojamai sintezuoti nanodaleles.

PCTE porėtų membranų nanoporose eksponuojamas šilumos laidumo teorinis modelis

Buvo iškelta hipotezė, kad optinio nanodalelių polimero kompozicijoje įsodinto PCTEPM (NPCgPCTEPM) perjungimą lems metalinių nanodalelių gebėjimas absorbuotą energiją paversti šiluma. Todėl šilumos generavimo ir laidumo modeliavimo metodas viename iš NPCgPCTEPM nanoporų buvo pasiektas išsprendus Furjė šilumos perdavimo lygtį (visi skaičiavimai pateikti skyriuje „Papildomi metodai“), aprašytą 3 schemoje. Sprendimas. įtraukė tik radialinį šilumos perdavimą ir neatsižvelgė į ašinį šilumos perdavimo komponentą. Įrodymas, kad tai tikslus tikslumas, įtrauktas į papildomus metodus. Sistemos modeliavimas, naudojant Furjė šilumos perdavimo lygtį, nustatė nanokompozitų koncentraciją ir lazerio energijos tankį, reikalingą norint pakankamai sušilti vietinėje vandeninėje aplinkoje, 1 ° C pokytis, leidžiantis sukonstruoti šiame darbe pasiūlytus optinius perjungiamuosius nanovožtuvus. Modeliavimas buvo atliktas naudojant nanodaleles, kurių spindulys 40 nm, kaip buvo stebimas dalelių dydžiams, gautiems porose sintezės metu, ir kurių skerspjūvis apskaičiuotas naudojant Mie koeficientą 1, 8197 × 10 14 m 2 . Išorinis panaudotos poros spindulys buvo 750 nm, remiantis kontrolinių membranų poromis kontrolinių membranų SEM atvaizduose ir vidutiniu atstumu tarp porų poringose ​​membranose. Likę parametrai išvardyti 1 lentelėse. Išsprendus Furjė lygtį, galima apskaičiuoti (papildomus metodus) ryšį tarp generuojamos tūrinės šilumos ir nanoporose pasiekto temperatūros pokyčio (4a paveikslas). 4a paveiksle parodyta tiesinė priklausomybė tarp dalelių skaičiaus poroje ir pasiektos šilumos. Galima pastebėti, kad porose sukuriama 2 × 10 12 W m – 3 šilumos, kad būtų pasiektas 1 ° C skirtumas visoje poroje ir būtų greitas perjungimo atsakas, nes mūsų ankstesnis darbas nustatė, kad tokio tipo sistemos paprastai pasiekia nejudančią fazę per mikrosekundę. 23 Temperatūros profilis kanale yra įtrauktas, ir remiantis mūsų ankstesniu darbu 23 galima numatyti, kad šie temperatūros profiliai taip pat bus pasiekti labai greitai (4b paveikslas). Tolesni skaičiavimai nustatė, kad perjungimui reikalingą šilumos generavimą galima pasiekti sukoncentruojant 100 mW galios lazerį 40 μm taško dydžio spinduliu į tūrį, kurio koncentracija yra 5, 705 × 10 15 dalelių litre. Naudodama šią dalelių koncentraciją ir žinomą tūrį nanokanaluose, 8, 796 × 10 8 nm 3, sistema numato perjungimą, kai viename kanale gali būti apytiksliai penkios dalelės. Šiame darbe sukurta sintezė leidžia įterpti didesnį dalelių skaičių vienoje NPCgPCTEPM poroje, nei reikia norint įkaitinti 1 ° C. Dėl to teoriniai skaičiavimai numato, kad nanoporinės membranos, sukurtos ir pagamintos atliekant šiame darbe aprašytą sintezę, greičiausiai gali būti naudojamos kaip optiškai perjungiami nanovamzdeliai, veikiant specifinio bangos ilgio ir galios tankio lazeriams.

Image

Nanoporos ir šilumos generavimo schema turi būti matematiškai modeliuojama. κ vanduo yra vandens šilumos laidumas, o κ išorinis vamzdis yra polikarbonato šilumos laidumas. R1 yra nanoporos spindulys, o R2 yra vidutinis išorinio spindulio atstumas tarp membranos nanoporų. L yra nanoporos ilgis, atitinkantis membranos storį. Manoma, kad nanodalelės porose yra vienalytės. Todėl, veikiant šviesai, sukeliamas vienalytis porų vidaus šildymas.

Visas dydis

Pilno dydžio lentelė

Image

Teorinis nanoporoms apskaičiuotas šilumos susidarymas ir temperatūros pasiskirstymas nanodalelių polimerų kompozicinėje skiepytoje polikarbonato dalyje išmargintose porėtose membranose (NPCgPCTEPM). a ) tūrio šilumos susidarymo ir temperatūros padidėjimo koreliacija nanoporėje. b ) Pastovios temperatūros profiliai 400 nm skersmens nanokanaluose. Modeliavimas naudojant FEMlab. Pastovi sistemos būsena pasiekiama per mažiau nei sekundę.

Visas dydis

Pralaidumo perjungimo eksperimentai reaguojant į šilumą

Manoma, kad PNIPAM grandinės, įskiepytos į PCTE porėtų membranų paviršių, veikiamos šilumos, veiks kaip mechaniniai vožtuvai, valdantys srautą, kaip parodyta 1b ir c schemose. Šis testas reikalingas norint patikrinti polimerinių medžiagų įsiskverbimą į polimerines membranas. Todėl sintezėse, kuriose polimerizacija buvo vykdoma 20 ir 30 ° C temperatūroje, buvo išbandyta galimybė termiškai ir grįžtamai kontroliuoti srautą per membranos poras. Kadangi vandens stulpelis mažėja tekant vandeniui (5a paveikslas), vidutiniai nuo temperatūros priklausantys srautai per akytas membranas buvo analizuojami naudojant sunkio jėgos srautą su kintamu hidrostatiniu slėgiu, pradedant nuo 500 Pa ir baigiant 200 Pa. Skysčio srautas per gPCTEPM ir NPCgPCTEPM buvo išmatuoti kaip vandens temperatūros funkcija ir pavaizduoti 5b paveiksle. Keli bandymai buvo atlikti su jungikliu ir kontroliniu srautu, o rezultatai buvo pakartojami, ty polimeras ir nanokompozitai buvo stabiliai įskiepyti į membranas. Nors žemoje temperatūroje yra mažas srauto nutekėjimas, kai polimerinis nanokompozitas yra savo pailgos formos ir uždaro poras (1c schema), PNIPAM vartai gali pasiekti beveik visišką porų užsikimšimą konvekciniam srautui. Be to, atidarius vartus dėl pasikeitusio polimero nanokompozito pavidalo, srautas gali pasikeisti nuo 0, 001 iki 0, 035 ml s –1 cm – 2 (5b paveikslas), o vanduo einant stebimas visiškai priešingas poveikis. nuo karštesnės iki vėsesnės temperatūros. Kai buvo atlikti tie patys eksperimentai, naudojant membranas, polimerizuotas 20 ° C temperatūroje, srauto pokyčiai svyravo nuo 0, 015–0, 041 ml s –1 cm – 2 (papildomas paveikslas S3). Šis rezultatas rodo, kad polimerai buvo daug trumpesni, ir įrodo, kad mūsų sintezės metodas yra pajėgus kontroliuoti polimero ilgį ir molekulinę masę.

Image

Skiepytų polikarbonato porų membranų (gPCTEPM) grįžtamasis pralaidumas keičiant šilumą. a ) Eksperimento schema, kai nanoporos šiluma įjungiamos iš „išjungtos“ į „įjungtos“. b ) Pateikti srauto pokyčiai atitinka PCTEPM be ankstesnio skiepijimo (apskritimai) ir gPCTEPM (kvadratai), atsižvelgiant į temperatūrą.

Visas dydis

Tyrimais su vėžėmis išgraviruotomis membranomis dažnai apskaičiuojamas efektyvusis porų skersmuo, remiantis srauto greičio cilindre pagal Hageno – Poiseulle'io dėsnius:

Image
, kur V yra permeato tūris, Δ P yra membranos slėgis, r yra porų spindulys (darant prielaidą, kad membranoje yra vienalytės poros), η yra permeato klampumas, o L yra kapiliarų ilgis (membrana) storis). Srauto matavimai šiame tyrime buvo atlikti su kintančiu slėgiu, todėl Hagen – Poiseulle lygtyje buvo naudojami laiko vidurkio tūrio srauto greičiai ir slėgio kritimai. Visuose srauto eksperimentuose slėgio kritimas per laiką buvo pastovus. Norėdami pašalinti klampos pokyčius esant temperatūrai ir būti nepriklausomus nuo tikslios priklausomybės nuo slėgio laiko, visi rezultatai pateikiami kaip santykis su kontroline membrana. Todėl porų dydžiai buvo apskaičiuoti pagal šią lygtį:
Image
. Vis dėlto darant prielaidą, kad paprastas Hagen – Poiseulle srautas yra netikslus, nes cilindro formos vamzdyne paviršiaus skiepyto polimero sluoksnio storis priklauso nuo srauto greičio. Išskyrus labai mažus debitus, mes manome, kad polimero sluoksnis arba išsipučia dėl 33 šlyties, arba išsilygina, jei polimero šepetys nėra labai didelis ir ne visos grandinės nukreiptos į srautą (nepilnas skiepijimas). 34, 35 Be to, jei darysime prielaidą, kad polimero transplantatas yra ištisinis gelis, turintis viskoelastinių savybių, kurias galėtų sukelti įterpiant aukso nanodaleles į polimerus, nestabilumas sąsajoje gali išsivystyti net esant labai mažam Reynolds skaičiui. 36, 37

Nepaisant Hageno – Poiseulle'o suderinimo trūkumų, stebimi NPCgPCTEPM porų dydžio pokyčiai rodo efektyvų porų skersmens pokytį ∼ 70 nm, keičiant iš atvirų porų sutrauktoje būsenoje 350 nm iki 280 nm skersmens. hidratuota būsena žemiau LCST.

Šiame darbe gautas PNPAM grandinių porų dydžio pokytis ∼ 70 nm tarp sutrauktų ir patinusių būklių yra panašus į literatūroje nurodytus porų pokyčius, kuriuose buvo naudojama Hagen – Poiseulle lygtis ir plazmos sukeltas skiepijimas. 13, 26, 30, 38 Perjungimo reakcijos, kai didesnis porų dydžio pokytis (nuo 50 iki 200 nm), buvo pasiektos naudojant hidrogelius; tačiau šios sistemos reaguoja labai ilgai. 39

Pralaidumo perjungimo eksperimentai reaguojant į šviesą

Šilumos perjungimo eksperimentams atlikti eksperimentiniai nustatymai ir porų dydžio skaičiavimas (Hagen – Poiseulle) taip pat buvo naudojami šviesos sukeliamiems pralaidumo pokyčiams sintetintuose NPCgPCTEPM (6a pav.). Skysčio srautas per gPCTEPM ir NPCgPCTEPM buvo nubraižytas kaip laiko, per kurį membrana buvo paveikta lazerio spinduliais, funkcija (6b paveikslas). Pastebimas elgesys, panašus į šiluminės indukcijos grįžtamąjį perjungimą, ir tai visiškai nestebina, nes mechaninis poveikis turėtų būti toks pat, tačiau pavara, šviesa, yra vienintelis skirtumas. 6b paveikslas parodo, kad srautas buvo kontroliuojamas labai greitai, nes skysčio srautas nuo 0, 001 iki 0, 033 ml s –1 cm – 2 per mažiau nei 2 minutes. Be to, išjungus lazerį, pastebimas labai panašus priešingas efektas. Be to, 50% padidintos bendros membranos srauto galimybės pasiekiamos per mažiau nei minutę nuo šviesos poveikio, todėl šios membranos yra idealios įvairioms reikmėms.

Image

Skiepytų polikarbonato porūšių membranų (gPCTEPM) grįžtamasis pralaidumas perjungiant į šviesą. a ) Eksperimento nustatymo schema, kai nanoporos įjungiamos iš „išjungtos“ į „įjungtos“ naudojant nefokusuotą 530 nm lazerį. b ) Pateikti srauto pokyčiai atitinka gPCTEPM be sujungtų nanodalelių (apskritimų) ir su įmontuotomis aukso nanodalelėmis (kvadratais), atsižvelgiant į šviesos ekspozicijos laiką.

Visas dydis

Apibendrinant galima pasakyti, kad PNIPAM skiepijimas į PCTEPM buvo pasiektas laikantis plazmos sukeltų skiepijimo metodų, anksčiau aprašytų literatūroje. In situ sumažinus metalinių druskų kiekį ir pasinaudojus PNIPAM gebėjimu veikti kaip stabilizuojančia ir ribojančia medžiaga, PNIPAM skiepūgliai buvo sujungti su aukso metalo nanodalelėmis. Be to, PNIPAM skiepų pagalba buvo kontroliuojamas suskaidytų nanodalelių dydis ir pasiskirstymas. Be to, šiame darbe aprašytas sintezės rezultatas rodo, kad porose difuzijos poveikis leidžia geriau kontroliuoti nanodalelių dydį.

Taikant matematinį modelį, šiame darbe prognozuojamas sumodeliuotas šilumos generavimas ir laidumas nanoporėje ir siūlomos sintezuotų membranų, kaip optiškai termiškai perjungiamų vožtuvų, panaudojimo galimybės, kai jie veikiami specifinių bangų ilgių ir galios tankio fokusavimo lazeriais. Šis darbas taip pat rodo pralaidumo tyrimus, kad sintetinamose membranose gali būti pasiekiami grįžtami srauto pokyčiai, vykstant svyruojantiems šilumos ir šviesos poveikio pokyčiams.

Papildoma informacija

PDF failai

  1. 1.

    Papildoma informacija

    Papildoma informacija pridedama prie dokumento „NPG Asia Materials“ svetainėje (//www.nature.com/am)