Het doteren van de polymeerborstel met gouden nanodeeltjes resulteert in een schakelbare composiet die van dikte verandert afhankelijk van de pH. Onderzoek door fysici aan de Technische Universiteit van Darmstadt in het tijdschrift Soft Matter kan worden gebruikt om chemische nanosensoren te ontwerpen voor diagnostische of omgevingsanalyses.
Polymeerborstels zijn macromoleculaire kettingen die dicht op het oppervlak zijn geënt. Vanwege de elektrostatische kracht strekt de ketting zich uit vanaf het oppervlak en vormt een pelsachtige laag met een dikte van enkele honderden nanometers. Momenteel heeft onderzoek zich gericht op het ontwerp van polymeersystemen die reageren op verschillende omgevingsstimuli zoals pH, temperatuur of specifieke biomarkers. Natuurkundigen van TU Darmstadt en TU Berlin hebben voor het eerst aangetoond hoe de dikte van polymeerborstels kan worden veranderd door pH-gevoelige gouden nanodeeltjes te combineren.
"De combinatie van polymeerketens en gouden nanodeeltjes is veelbelovend, vooral in medische diagnostiek of omgevingsanalyse," zei Dikran Boyaciyan. De 30-jarige promovendus werkt in de groep "Interfacial Soft Matter", geleid door professor Regin von Kleinzin.
"Deze technologie bevindt zich nog in de beginfase van ontwikkeling en het belangrijkste doel is hoe de interactie tussen het polymeersysteem en de nanodeeltjes kan worden aangepast en gekalibreerd in een gecontroleerde omgeving," legt Boyaciyan uit. Slimme polymeermaterialen kunnen worden gebruikt om chemische nanosensoren voor toxines of kankercellen te rapporteren, orgelparameters te bewaken of drugsafgifte in het menselijk lichaam te richten.
Boyaciyan testte twee soorten pH-ongevoelige polymeren voor zijn langdurig gebruik als sensor: niet-ionische PNIPAM en kationische PMETAC. De eerste wordt als ongeschikt beschouwd omdat de gouddeeltjes bij een hoge pH uit de borstel worden weggespoeld. In kationische PMETAC-borstels worden gouddeeltjes echter niet beïnvloed door veranderingen in de pH.
Bovendien kon Boyaciyan demonstreren hoe een omkeerbaar pH-schakelcomplex uit PMETAC kon worden bereid door goudnanodeeltjes te verwerken en hoe hun complexe formatie werkt. In een zure omgeving verliezen de deeltjes lading en vinden interacties tussen deeltje en deeltje en deeltjesborstel-interacties plaats. Hierdoor zwelt de borstel omdat de ketting minder beperkt is.
Daarentegen creëert een alkalische omgeving een negatieve lading op de deeltjes en heeft interactie met een positief geladen borstel de voorkeur. Het instorten van de ketting zorgt ervoor dat de borstellaag dunner wordt.
Omdat de diktevariatie ook de spectrale samenstelling van het gereflecteerde licht beïnvloedt, kan het materiaal worden gebruikt als een colorimetrische nanosensor. Vanwege de zeer kleine omvang kan het worden gekoppeld aan microlasers en spectrometers, die in de toekomst kunnen worden gebruikt in laboratoriumchipsystemen en zelfs in menselijke cellen.
