Doping polymer pensel med guld nanopartikler resulterer i en omskiftelig komposit, der ændrer dens tykkelse afhængigt af pH. Forskning fra fysikere ved Darmstadt University of Technology i tidsskriftet Soft Matter kan bruges til at designe kemiske nanosensorer til diagnostisk eller miljømæssig analyse.
Polymerbørster er makromolekylære kæder, der er tæt graftede på overfladen. På grund af den elektrostatiske kraft strækker kæden sig fra overfladen og danner et pelsagtigt lag med en tykkelse på flere hundrede nanometer. I øjeblikket har forskning fokuseret på design af polymersystemer, der reagerer på forskellige miljømæssige stimuli såsom pH, temperatur eller specifikke biomarkører. Fysikere ved TU Darmstadt og TU Berlin demonstrerede for første gang, hvordan tykkelsen af polymerbørster kan skiftes ved at kombinere pH-følsomme guldnanopartikler.
"Kombinationen af polymerkæder og guld nanopartikler er lovende, især i medicinsk diagnostik eller miljøanalyse," sagde Dikran Boyaciyan. Den 30-årige ph.d.-studerende arbejder i gruppen "Interfacial Soft Matter" ledet af professor Regin von Kleinzin.
"Denne teknologi er stadig i de tidlige udviklingsstadier, og hovedmålet er, hvordan samspillet mellem polymersystemet og nanopartiklerne kan justeres og kalibreres i et kontrolleret miljø," forklarede Boyaciyan. Smarte polymermaterialer kan bruges til at rapportere kemiske nanosensorer for toksiner eller cancerceller, overvåge orgelparametre eller mållægemiddelfrigivelse i menneskekroppen.
Boyaciyan testede to typer af pH-ufølsomme polymerer til langvarig brug som sensor: ikke-ionisk PNIPAM og kationisk PMETAC. Den førstnævnte anses for uegnet, fordi guldpartiklerne vaskes væk fra børsten ved høj pH. I kationiske PMETAC børster påvirkes guldpartikler imidlertid ikke af ændringer i pH.
Derudover kunne Boyaciyan demonstrere, hvordan man fremstiller et reversibelt pH-switch-kompleks fra PMETAC ved at indarbejde guld nanopartikler, og hvordan deres komplekse dannelse fungerer. I et surt miljø taber partiklerne ladning og partikel-partikelinteraktioner og partikel-børsteinteraktioner opstår. Dette får penslen til at svulme, fordi kæden er mindre begrænset.
I modsætning hertil skaber et alkalisk miljø en negativ ladning på partiklerne, og interaktion med en positivt ladet børste foretrækkes. Kædes sammenbrud får pensellaget til at blive tyndere.
Da tykkelsesvariationen også påvirker det reflekterede lyss spektrale sammensætning, kan materialet anvendes som en kolorimetrisk nanosensor. På grund af sin meget lille størrelse kan den kobles til mikrolasere og spektrometre, som i fremtiden kan bruges i laboratoriespilsystemer og endda i humane celler.
