Une coupe transversale illustrée d'un nanotube créé par des chimistes UB. Les structures vertes sont des groupes acide carboxylique chargés négativement, qui aident à piéger les particules chargées positivement.
(PhysOrg.com) -- En utilisant un design intelligent mais élégant, Les chimistes de l'Université de Buffalo ont synthétisé de minuscules, cages moléculaires qui peuvent être utilisées pour capturer et purifier les nanomatériaux.
Sculptée à partir d'un type spécial de molécule appelée « molécule brosse-bouteille, " les pièges sont constitués de minuscules, tubes organiques dont les parois intérieures portent une charge négative. Cette caractéristique permet aux tubes d'encapsuler sélectivement uniquement des particules chargées positivement.
En outre, parce que les scientifiques de l'UB construisent les tubes à partir de zéro, ils peuvent créer des pièges de différentes tailles qui piègent des proies moléculaires de différentes tailles. Le niveau de réglage fin possible est remarquable :dans le Journal de l'American Chemical Society , les chercheurs rapportent qu'ils ont pu fabriquer des nanotubes qui ont capturé des particules de 2,8 nanomètres de diamètre, tout en laissant intactes les particules de seulement 1,5 nanomètre de plus.
Ces types de cages pourraient être utilisés, à l'avenir, pour accélérer les tâches fastidieuses, tels que la séparation des grands points quantiques des petits points quantiques, ou séparer les protéines par taille et charge.
« Les formes et les tailles des molécules et des nanomatériaux dictent leur utilité pour les applications souhaitées. Nos cages moléculaires permettront de séparer les particules et les molécules aux dimensions prédéterminées, créant ainsi des blocs de construction uniformes pour la fabrication de matériaux avancés, " a déclaré Javid Rzayev, le professeur assistant de chimie de l'UB qui a dirigé la recherche.
"Tout comme un entrepreneur veut que les carreaux ou les briques aient la même taille pour qu'ils s'emboîtent bien, les scientifiques sont impatients de produire des particules de taille nanométrique avec les mêmes dimensions, qui peut contribuer grandement à créer des matériaux uniformes et bien élevés, " a déclaré Rzayev.
Une image en microscopie électronique à transmission des pièges à nanotubes organiques, avec de la couleur ajoutée grâce à l'amélioration numérique.
Pour créer les pièges, Rzayev et son équipe ont d'abord construit un type spécial de molécule appelée molécule goupillon. Ceux-ci ressemblent à une brosse à cheveux ronde, avec des "soies" moléculaires faisant saillie tout autour d'un squelette moléculaire.
Après avoir cousu les poils ensemble, les chercheurs ont creusé le centre de chaque molécule de goupillon, laissant derrière lui une structure en forme de tube de papier toilette.
Le processus de sculpture a utilisé une chimie simple mais intelligente :lors de la construction de leurs molécules de goupillon, les scientifiques ont construit le cœur de chaque molécule en utilisant des structures moléculaires qui se désintègrent au contact de l'eau. Autour de ce noyau, les scientifiques ont ensuite attaché une couche de groupes acides carboxyliques chargés négativement.
Pour sculpter la molécule, les scientifiques l'ont ensuite immergé dans l'eau, en fait creuser le noyau. La structure résultante était le piège, un nanotube dont les parois internes étaient chargées négativement en raison de la présence des groupes acide carboxylique nouvellement exposés.
Pour tester l'efficacité des tubes comme pièges, Rzayev et ses collègues ont conçu une série d'expériences impliquant un cocktail chimique à deux couches.
La couche inférieure du cocktail était constituée d'une solution de chloroforme contenant les nanotubes, tandis que la couche supérieure consistait en une solution à base d'eau contenant des colorants chargés positivement. (Comme dans un lever de soleil de tequila, le plus fin, une solution à base d'eau flotte au-dessus de la solution de chloroforme plus dense, avec peu de mélange.)
Lorsque les scientifiques ont agité le cocktail pendant cinq minutes, les nanotubes sont entrés en collision et ont piégé les colorants, amener les colorants dans la solution de chloroforme. (Les teintures, par eux-même, ne pas dissoudre dans le chloroforme.)
Dans des expériences similaires, Rzayev et son équipe ont pu utiliser les nanotubes pour extraire des molécules chargées positivement appelées dendrimères d'une solution aqueuse. Les nanotubes ont été conçus de manière à piéger des dendrimères d'un diamètre de 2,8 nanomètres, tandis que des dendrimères de 4,3 nanomètres de diamètre ont été laissés en solution.
Pour retirer les dendrimères capturés des nanotubes, les chercheurs ont simplement abaissé le pH de la solution de chloroforme, qui arrête la charge négative à l'intérieur des pièges et permet aux particules capturées d'être libérées de leurs cages.
La recherche sur les nanotubes fait partie d'une plus grande série d'études que Rzayev mène sur des molécules de goupillon à l'aide d'un prix CAREER de la National Science Foundation. Ses autres travaux incluent la fabrication de nanomembranes à base de goupillons qui pourraient être adaptées pour la filtration de l'eau, et l'assemblage de couches, polymères goupillons qui réfléchissent la lumière visible comme le font les ailes d'un papillon.
