奈米材料研究中的霍洛石奈米管應用

Prof. Yuri Lvov, Dr. Ronald Price

Institute for Micromanufacturing, Louisiana Tech University, Ruston, LA 71272

Halloysite 是一種天然存在的鋁矽酸鹽奈米管，一直被無辜地遺忘。埃洛石（Al₂Si₂O₅(OH)₄-2H_{21,2類似。鄰近的氧化鋁層和二氧化矽層，以及它們的水合水，由於堆積紊亂而曲折形成多層管狀 (圖 1) 。² 和大多數天然材料一樣，埃洛石顆粒的大小因礦床而異，長度在1-15微米之間，內徑在10-150 nm之間。在我們的研究中，我們使用 Applied Minerals, Inc. 所生產的哈洛石 G，並可取得 (Cat. No.  685445)。這種材料的平均管徑為 50 nm，內腔直徑為 15 nm （圖 1）。此哈洛來石的典型比表面積為 65 m²/g；孔隙率約為 1.25 mL/g；折射率為 1.54；比重為 2.53 g/cm^3。}

圖 1. 直徑 50 nm 的哈洛石奈米管子 685445 的 TEM 影像 (a) 與管子截面 (b)。

從化學角度來看，埃洛石奈米管外表面的特性類似於 SiO₂ 而內圓柱核心則與 Al₂O₃有關。哈洛石顆粒的電荷 (zeta 電位) 行為可大致用 SiO₂ 的大部分負電位 (在 pH 6-7 時) 與 Al₂O₃ 內表面的小部分正電位的疊加描述。^3,4 內腔的正電荷（pH 值低於 8.5）促進哈洛伊特納米管負電荷大分子的負載，同時這些負電荷大分子被排斥在外表面。多種活性劑，包括藥物、^5-9 煙醯胺腺嘌呤二丁縮氨酸 (NAD) 和海洋生物殺蟲劑，⁹ 都可以夾藏在內腔以及多層鋁矽酸鹽外殼的空隙中。

我們研究了大分子從哈洛來石納米管中的載入和釋放。載入過程如下：將含有哈洛來石和目標分子飽和溶液混合物的小瓶移到真空罐中，然後用真空泵反復抽真空。懸浮液的輕微顫動表示空氣已從埃洛石內部排出。擺動停止後，將小瓶密封 30 分鐘，使分子分佈達到平衡。離心哈洛石懸浮液以除去多餘的溶解分子並清洗。此過程可重複兩次，以確保哈洛來石中充滿了最大量的目標分子。利用這種簡單的裝填技術，我們可以使用類似槍口裝填子彈的老式方法，在納米管腔中填入任何材料，例如藥物、蛋白質、聚電解質和直徑適當的納米粒子。

在對哈洛來石表面進行適當的預處理之後，疏水劑和親水劑都可以被夾住。^10-11 例如，我們最近展示了用尿素酶裝載哈洛石，以在小管腔內進行生物催化 CaCO₃ 合成。¹¹ 對於親水分子（如kellin、NAD、四環素），典型的釋放時間為2-5小時，而對於在水中溶解度低的分子（如地塞米松、呋塞米、硝苯地平），觀察到釋放時間為5-20小時 （圖2）。透過奈米管腔開口的一維擴散模型可以很好地描述大分子從哈洛來石釋放的情況。

圖 2. 大分子（NAD、地塞米松、呋塞米、硝苯地平）從哈洛伊特納米管的釋放。陡峭的曲線顯示分子微晶在沒有小管負載的情況下直接溶解。

我們預見採用埃洛石粘土奈米管將進行大量的基礎研究和應用。研究內容將包括

• 通過製作阻塞物或縮窄納米管腔的出口來控制大分子的裝載和釋放

鹵鋁石奈米管可能的應用包括

• 防腐劑的控制釋放
• 除草劑、殺蟲劑、殺真菌劑和抗微生物劑的持續釋放
• 藥物、食品添加劑和香料的持續釋放
• 棒狀納米粒子的試樣合成
• 用作催化支持物和分子篩
• 特異性離子吸附
• 用作強度增強和刮傷保護的塑料填料
• 用於先進陶瓷材料，特別是生物相容性植入物。

材料

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