p Nanocristais de tetrápode fluorescentes podem iluminar o caminho para o projeto futuro de nanocompósitos de polímero mais fortes. Uma equipe de pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (DOE) (Berkeley Lab) desenvolveu uma técnica avançada de detecção opto-mecânica baseada em pontos quânticos de tetrápodes que permite a medição precisa da resistência à tração das fibras poliméricas com o mínimo impacto nas propriedades mecânicas da fibra. p Em um estudo liderado por Paul Alivisatos, Diretor do Berkeley Lab e Professor de Nanotecnologia Larry e Diane Bock da Universidade da Califórnia (UC) Berkeley, a equipe de pesquisa incorporou às fibras de polímero uma população de pontos quânticos tetrápodes (tQDs) consistindo de um núcleo de seleneto de cádmio (CdSe) e quatro braços de sulfeto de cádmio (CdS). Os tQDs foram incorporados às fibras de polímero por meio de eletrofiação, entre as técnicas líderes de hoje para o processamento de polímeros, em que um grande campo elétrico é aplicado a gotículas de solução de polímero para criar fibras de tamanho micro e nano. Esta é a primeira aplicação conhecida de eletrofiação para tQDs.

p "O processo de eletrofiação nos permitiu colocar uma enorme quantidade de tQDs, até 20 por cento em peso, nas fibras com efeitos mínimos nas propriedades mecânicas em massa do polímero, "Alivisatos diz." Os tQDs são capazes de monitorar fluorescentemente não apenas o estresse uniaxial simples, mas estresse relaxamento e comportamento sob cargas variáveis ​​cíclicas. Além disso, os tQDs são elásticos e recuperáveis, e não sofrem nenhuma mudança permanente na capacidade de detecção, mesmo após muitos ciclos de carregamento até a falha. "

p Alivisatos é o autor correspondente de um artigo que descreve esta pesquisa na revista. Nano Letras intitulado "Nanocristais de tetrápode como sondas de tensão fluorescentes de nanocompósitos eletrofiados." Os co-autores foram Shilpa Raja, Andrew Olson, Kari Thorkelsson, Andrew Luong, Lillian Hsueh, Guoqing Chang, Bernd Gludovatz, Liwei Lin, Ting Xu e Robert Ritchie.

p Nanocompósitos poliméricos são polímeros que contêm cargas de nanopartículas dispersas por toda a matriz polimérica. Exibindo uma ampla gama de propriedades mecânicas aprimoradas, esses materiais têm grande potencial para uma ampla gama de aplicações biomédicas e materiais. Contudo, o design racional foi prejudicado pela falta de compreensão detalhada de como eles respondem ao estresse em micro e nanoescala.

p "Compreender a interface entre o polímero e a nanocondicionadora e como as tensões são transferidas através dessa barreira são essenciais para sintetizar compostos de forma reproduzível, "Alivisatos diz." Todas as técnicas estabelecidas para fornecer essas informações têm desvantagens, incluindo a alteração da composição e estrutura em nível molecular do polímero e potencialmente enfraquecendo as propriedades mecânicas, como a tenacidade. Portanto, tem sido de considerável interesse desenvolver nanopartículas óticas de detecção de estresse luminescente e encontrar uma maneira de incorporá-las dentro de fibras de polímero com impacto mínimo nas propriedades mecânicas que estão sendo detectadas. "

p Os pesquisadores do Berkeley Lab venceram esse desafio combinando tQDs semicondutores de CdSe / CdS, que foram desenvolvidos em um estudo anterior por Alivisatos e seu grupo de pesquisa, com eletrofiação. Os tQDs CdSe / CdS são excepcionalmente adequados como sensores de tensão em nanoescala porque uma tensão aplicada dobrará os braços dos tetrápodes, causando uma mudança na cor de sua fluorescência. O grande campo elétrico usado na eletrofiação resulta em uma dispersão uniforme de agregados tQD em toda a matriz polimérica, minimizando assim a formação de concentrações de tensão que atuariam para degradar as propriedades mecânicas do polímero. A eletrofiação também forneceu uma ligação muito mais forte entre as fibras poliméricas e os tQDs do que uma técnica anterior baseada em difusão para usar tQDs como sondas de estresse, relatada há dois anos por Alivisatos e seu grupo. Concentrações muito mais altas de tQDs também podem ser alcançadas com eletrofiação em vez de difusão.

p Quando o estresse foi aplicado aos nanocompósitos de polímero, regiões elásticas e plásticas de deformação foram facilmente observadas como uma mudança na fluorescência dos tQDs, mesmo em baixas concentrações de partículas. À medida que as concentrações de partículas aumentaram, foi observada uma maior mudança de fluorescência por unidade de cepa. Os tQDs agiram como sondas não perturbadoras que os testes provaram não afetarem adversamente as propriedades mecânicas das fibras poliméricas de nenhuma maneira significativa.

p "Realizamos testes mecânicos usando uma máquina de teste de tração tradicional com todos os nossos tipos de fibras poliméricas, "diz Shilpa Raja, um autor principal do Nano Letras papel junto com Andrew Olson, ambos membros do grupo de pesquisa da Alivisatos. "Embora os tQDs sem dúvida alterem a composição da fibra - não é mais ácido polilático puro, mas sim um composto - descobrimos que as propriedades mecânicas do composto e a cristalinidade da fase do polímero mostram uma mudança mínima."

p A equipe de pesquisa acredita que suas sondas tQD devem ser valiosas para uma variedade de produtos biológicos, aplicações de imagem e engenharia de materiais.

p "Uma grande vantagem no desenvolvimento de novos nanocompósitos de polímero seria usar tQDs para monitorar os acúmulos de tensão antes da falha do material para ver como o material estava falhando antes de realmente quebrar, "diz o co-autor Olson." Os tQDs também podem ajudar no desenvolvimento de novos materiais inteligentes, fornecendo informações sobre por que um composto nunca exibiu uma propriedade de nanopartícula desejada ou parou de exibi-la durante a deformação do uso normal. "

p Para aplicações biológicas, o tQD responde a forças na escala nanoNewton, que é a quantidade de força exercida pelas células vivas à medida que se movem dentro do corpo. Um excelente exemplo disso é a metástase de células cancerosas que se movem através da matriz extracelular circundante. Outras células que exercem força incluem os fibroblastos que ajudam a reparar feridas, e cardiomiócitos, as células musculares do coração que batem.

p "Todos esses tipos de células são conhecidos por exercerem forças nanoNewton, mas é muito difícil medi-los, "Diz Raja." Fizemos estudos preliminares nos quais mostramos que os cardiomiócitos no topo de uma camada de tQDs podem ser induzidos a bater e a camada tQD mostrará mudanças fluorescentes em locais onde as células estão batendo. Isso poderia ser estendido a um ambiente mais biologicamente relevante, a fim de estudar os efeitos de produtos químicos e drogas na metástase de células cancerosas. "

p Outra aplicação potencial interessante é o uso de tQDs para fazer nanocompósitos de polímero inteligentes que podem detectar quando eles têm rachaduras ou estão prestes a se quebrar e podem se fortalecer em resposta.

p "Com nossa técnica, estamos combinando dois campos que geralmente são separados e nunca foram combinados em nanoescala, detecção óptica e sintonia mecânica de nanocompósitos de polímero, "Raja diz." Como os tetrápodes são incrivelmente fortes, ordens de magnitude mais fortes do que os polímeros típicos, em última análise, eles podem criar interfaces mais fortes que podem relatar uma fratura iminente. "