[論文レビュー] Noncovalent Functionalization of Boron Nitride Nanotubes in Aqueous Media

Zhenghong Gao, Chunyi Zhi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2014

Boron and Carbon Nanomaterials Research被引用数 3

ひとこと要約

本レビューでは、弱い相互作用を介して水溶性ポリマーまたはバイオ分子を用いて水系媒体中でボロンナイトライドナノチューブ（BNNTs）を非共有結合的に機能化する手法を検討する。この手法により、BNNTsの純粋な物理的・化学的性質を保持したまま水中での高い分散性が実現され、ナノテクノロジー分野への応用における加工性が顕著に向上する。

ABSTRACT

Boron nitride nanotubes (BNNTs) are of intense scientific interests due to their unique physiochemical properties and prospective applications in various nanotechnologies. A critical problem hampering the application processing of BNNTs is the outer sidewall functionalization, which is primarily acquired to lead BNNTs dispersible in various solvents. Furthermore, the surface of BNNTs should be intelligently designed and precisely controlled to satisfy the specific demands of different applications. For these purposes, covalent and noncovalent approaches have been factually developed for opening up the key door of applications. Importantly, wrapping the outermost sidewall of BNNTs with either water-soluble polymers or biomolecules through weak noncovalent interactions has been proved to be efficient for giving BNNTs considerable dispersity in aqueous media, and endowing novel chemical functions to the BNNTs with almost no change in their pristine physiochemical properties. This contribution is made to summarize recent progresses, and further addresses the future perspectives on the noncovalent functionalization of BNNTs for promoting their application processing.

研究の動機と目的

• 実用的応用の障壁となるBNNTsの水中分散性の課題を解決すること。
• BNNTsの本質的物理的・化学的性質を損なわず、表面工学を可能とすること。
• 共価結合的機能化の代替手段として、加工性を向上させる非共有結合的戦略の有効性を検討すること。
• BNNTsの機能化分野における最近の進展を要約し、今後の研究方向性を特定すること。
• 表面修飾を最適化することで、BNNTsを多様なナノテクノロジー分野に統合しやすくすること。

提案手法

• BNNTsと機能性分子との間の弱い非共有結合的相互作用（例：π–πスターッキング、水素結合、静電的力）の利用。
• 水に溶けやすいポリマーおよびバイオ分子を被覆剤として用い、BNNTsの水溶液中での安定化を実現。
• 超音波処理および遠心分離を用いて均一な分散と分離を達成。
• FTIR、ラマン、TEMなどの分光的および顕微鏡的手法を用いて、共有結合の有無を確認。
• 動的光散乱およびζ電位測定を用いて、コロイド的安定性および分散性を評価。
• 表面被覆度および相互作用強度に基づく、機能化効率の体系的分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共価結合的修飾を伴わず、BNNTsを効果的に水中に分散させる方法は何か？
• RQ2 水中でのBNNTsの安定化に最も効果的な非共有結合的相互作用は何か？
• RQ3 非共有結合的機能化は、BNNTsの本質的性質をどの程度保持できるか？
• RQ4 表面機能化は、BNNTsの加工性および応用可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 非共有結合的BNNTs機能化における主な課題と今後の機会は何か？

主な発見

• 水溶性ポリマーまたはバイオ分子を用いた非共有結合的機能化により、BNNTsの水中分散性が顕著に向上する。
• この手法により、BNNTsの純粋な物理的・化学的性質、特に熱的および機械的安定性が保持される。
• π–πスターッキングや水素結合などの弱い相互作用でも、安定な分散および表面修飾が達成可能である。
• ζ電位および動的光散乱測定による確認により、機能化されたBNNTsは優れたコロイド的安定性を示す。
• このアプローチは、核構造を変更せずに特定の応用に最適化されたBNNTスケール表面の調整を可能とする包括的プラットフォームを提供する。
• 共価結合的手法に比べ、性能劣化のリスクが低いため、本手法は有望な代替戦略であると特定される。