Nanoštruktúry na báze tiolovaných cyklodextrínov na povrchu skla

Štúdium povrchových nanoštruktúr je dôležité z hľadiska ich využitia v priemysle, napr. nanoštruktúry sa používajú v oblasti výpočtovej techniky. Nové možnosti prináša aj štúdium tvorby a spôsobov prípravy nanovrstiev (napr. samousporiadané monovrstvy - z angl. Self-Assembled Monolayers, SAMs), ktoré síce nie sú v skutku novým objavom, ale sú stále jedným zo základných štruktúr nanotechnológie. Prvá zmienka o tvorbe SAMs sa objavila v roku 1946, kedy americký vedec William Albert Zisman publikoval spôsob tvorby SAMs pomocou adsorpcie surfaktantu na kovovom substráte.[1] Štúdium v tejto oblasti je aj v dnešnej dobe vysokoaktuálne. [2-4]

Pri tvorbe SAMs v prvom kroku dochádza k difúziou riadenej Langmuirovej adsorpcii, ktorá závisí od koncentrácie povrchovoaktívnych látok v roztoku. Druhý krok možno popísať ako proces samorganizácie naadsorbovaných povrchovoaktívnych látok na povrchu substátu. Rýchlosť prvého kroku závisí od reaktivity medzi substrátom a adsorbovanou skupinou povrchovoaktívnej látky. Aktivačná energia pravdepodobne súvisí od elektrónovej hustoty na adsorbovanej skupine. Rýchlosť druhého kroku závisí od neusporiadanosti reťazcov, rozdielnych medzimolekulových interakcií medzi reťazcami a od povrchovej mobility reťazcov.

Náš systém sa skladá z monotiolovaného β-cyklodextrínu (C₄₂H₇₀O₃₄S), ktorý je umiestnený na sklenom substráte. Sklený substrát je modifikovaný použitím 3-(trimetoxysilyl) propyl metakrylátu. Monotiolovaný β-cyklodextrín sa skladá zo siedmich α-1, 4-D glukopyranózových jednotiek. Cyklodextríny boli vybrané zámerne, pretože dokážu tvoriť inklúzne komplexy a taktiež sú schopné vytvárať štruktúry podobné samousporiadaným monovrstvám.

Na štúdium vzniku týchto povrchových nanoštruktúr sa používa hmotnostná spektrometria sekundárnych iónov. Princípom hmotnostnej spektrometrie sekundárnych iónov s detekčným systémom založeným na separácii hmotností podľa doby letu iónov je bombardovanie povrchu vzorky pulzným fokusovaným zväzkom primárnych iónov na báze tekutého kovu (Bi⁺) s energiou 15 až 25 keV. Primárny ión vniká do vzorky a odovzdáva svoju kinetickú energiu zasiahnutým atómom vo vnútri vzorky, výsledkom tohto deja je emisia fragmentov - atómy, molekuly alebo klastre, z povrchu. Sekundárne ióny emitované z povrchu majú rôznu hmotnosť. Týmto iónom sa pridelí jednotným extrakčným potenciálom rovnaká kinetická energia a oni sa separujú na základe rôznej doby letu. Ión s nízkou hmotnosťou preletí rýchlejšie kolónou k detektoru a naopak.

Pomocou tejto techniky možno skúmať fragmentáciu monotiolovaného β-cyklodextrínu a prítomnosť samousporiadanej vrstvy na sklenom povrchu. V hmotnostných spektrách boli pozorované fragmenty C₆H₁₅O₂Si⁺, C₇H₇O₂Si⁺, C₈H₉O₂Si⁺, C₉H₁₃O₂Si⁺, Si₂C₄H₁₃O^-, Si₂C₅H₁₅0^-, SiCH₃O₂^-, SiC₃H₅O^-, SiC₂H₇O₂^-. Hlavným cieľom tohto projektu je podrobné štúdium a príprava povrchových nanoštruktúr pozostávajúcich z monotiolovaného β-cyklodextrínu, 3-(trimetoxysilyl) propyl metakrylátu a skleného substrátu.

Táto práca vznikla za podpory grantov ERDF OP R&D, Project ‘meta-QUTE- Centrum excelentnosti kvantových technológií’, APVV-0491-07, NanoNet2 a UK/461/2013.

[1] Bigelow, W. C.; Pickett, D. L.; Zisman, W. A. J. Colloid Interface Sci. 1 (1946) 513
[2] Gambardella, A. A.; Feldberg, S. W.; Murray, R. W. J. Am. Chem. Soc. 13 (2012) 134
[3] Newton, L.; Slater, T.; Clark, N.; Vijayaraghavan, A. J. Mater. Chem. C 1 (2013) 76
[4] Okabayashi, N.; Paulsson, M.; Komeda, T. Prog. Sur. Sci. 1 (2013) 88