[論文レビュー] Water Boiling inside Carbon Nanotubes: Towards Efficient Drug Release

Vitaly V. Chaban, Oleg V. Prezhdo|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2012

Nanopore and Nanochannel Transport Studies参考文献 59被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、分子動力学シミュレーションを用いて、カーボンナノチューブ（CNT）に閉じ込められた水が著しく上昇した沸点を示し、沸点をわずかに上回る段階で圧力が急激に上昇することを示した。著者らは、極性薬物をCNTがラッピングするレーザー駆動型ドラッグデリバリーシステムを提案しており、局所加熱によって内部の水が沸騰し、CNTのキャップが破裂することで、高精度に薬物を放出する。

ABSTRACT

We show using molecular dynamics simulation that spatial confinement of water inside carbon nanotubes (CNT) substantially increases its boiling temperature and that a small temperature growth above the boiling point dramatically raises the inside pressure. Capillary theory successfully predicts the boiling point elevation down to 2 nm, below which large deviations between the theory and atomistic simulation take place. Water behaves qualitatively different inside narrow CNTs, exhibiting transition into an unusual phase, where pressure is gas-like and grows linearly with temperature, while the diffusion constant is temperature-independent. Precise control over boiling by CNT diameter, together with the rapid growth of inside pressure above the boiling point, suggests a novel drug delivery protocol. Polar drug molecules are packaged inside CNTs; the latter are delivered into living tissues and heated by laser. Solvent boiling destroys CNT capping agents and releases the drug.

研究の動機と目的

• カーボンナノチューブ（CNT）内の極端な閉じ込め下での水の熱力学的挙動を調査すること。
• 閉じ込めが水の沸点および圧力応答に与える影響を理解すること。
• 局所加熱によって誘発されるナノスケールのドラッグデリバリーメディアとしてのCNTの実現可能性を検討すること。
• 内部沸騰によって引き起こされる制御された迅速な薬物放出を可能にする物理的メカニズムを特定すること。
• 医療用途における刺激応答性キャリアとしてのCNTの可能性を評価すること。

提案手法

• さまざまな直径の単層CNT内での水のモデル化に、古典的分子動力学（MD）シミュレーションを用いる。
• 液体の沸点を上回る温度勾配をシミュレートし、相転移および圧力の変化を観察する。
• 毛細管理論を適用して沸点上昇を予測し、シミュレーション結果と比較する。
• 径方向分布関数、拡散定数、圧力-温度関係を分析して、異常な水の挙動を特定する。
• CNTキャップの機械的安定性と、内部圧力の蓄積に伴う破壊を評価する。
• 極性薬物分子をCNT内にラッピングし、沸騰誘発のキャップ破壊に伴う放出をシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カーボンナノチューブ内での空間的閉じ込めが、水の沸騰温度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 2 nm直径まで低下したCNTにおいて、毛細管理論が沸点上昇をどの程度正確に予測できるか？
• RQ3 特に沸点を上回る領域において、狭いCNT内での水の熱力学的および輸送特性は何か？
• RQ4 沸点を上回る圧力の急激な上昇を、制御された薬物放出に活用できるか？
• RQ5 圧力および拡散に関して、CNT内での水の挙動は、バルク状態の水とどのように異なるか？

主な発見

• CNT内での水の沸騰温度は、直径が小さくなるに従い著しく上昇し、2 nm未満では毛細管理論からの逸脱が観察された。
• 沸点を上回る領域では、温度上昇に伴い内部圧力が急激に上昇し、わずかな加熱でも迅速な放出が可能になる。
• 狭いCNT（<2 nm）では、水は気体に類似した圧力-温度依存性を示し、拡散定数は温度に依存しない。
• 狭いCNT内での異常な相挙動は、高い圧縮性と低拡散性を示す特異な状態を示唆している。
• 水と薬物を充填したCNTをレーザーで加熱することで、キャップの破壊が誘発され、効率的かつ局所的な薬物放出が実現可能である。
• 本システムにより、外部刺激を最小限に抑えつつ、高精度でオンデマンドの薬物放出が可能となり、閉じ込められた水の特異な熱力学的性質を活用できる。