Activation of metal nanoparticle/polymer systems via photothermal effect to develop shape memory polymers

Abstract

Nanoparçacıklar üstün özellikleri ile bilindiği için, fotonik, optoelektronik, biyolojik ve manyetik uygulamalarda değerlendirilmek üzere tavsiye edilir. Metal nanoparçacıklardaki yüzey plazmon rezonansına bağlı oluşan fototermal etki, bir çok disiplinde çeşitli uygulamalarda kullanılmak üzere ilgi çekmiştir. Bu etkinin sulu ortamlarda kullanımını biyolojik çalışmalarla bulmak mümkündür. Ancak, bu çalışmaların katı ortamlarda yerel sıcaklık profilinin takibi ve kontrolüyle ilgilenen miktarı azdır. Oysa ki, metal nanoparçacıkların fotoeksitasyonundan oluşan ısının değiştirilmesiyle polimer morfolojisi ve kristalliliği, yerinde kontrol edilebilir. Bu çalışmada metal, özellikle altın ve gümüş, nanoparçacıkların uzaktan harekete geçirilmesinin incelenmesi amaçlanmıştır. Poli (etilen oksit) içerisindeki altın nanoparçacıklarının fototermal ısımasından dolayı oluşan yerel sıcaklık değişimi, termal sensör olarak floresan probu kullanımıyla takip edilmiştir. Öte yandan, Raman kristalliliğinin sıcaklığa bağlı bir fonksiyonu olarak çalışılması için poli (etilen oksit)'in içerisindeki biçimsel değişikliklerin kullanıldığı bir metod önerilmiştir. Altın nanoparçacıklar, bir şekil hafızalı polimer olan magnetit doldurulmuş poli (DL-laktit-ko-glikolit)'in harekete geçirilmesi için fototermal etki ile ısıtılmış ve çok aşamalı şekil hafıza şemalarına başarıyla ulaşılmıştır. Aynı zamanda, (10 ve 30 nm çapındaki) altın ve gümüş nanoparçacıkların polimerlerin termal ve mekanik özelliklerine olan etkileri çalışılmıştır. Nanoparçacıkların, poli (etilen oksit)'in mekanik özelliklerini, eklenen nanoparçacığın tipine ve boyutuna bakılmaksızın, iyileştirdiği bulunmuştur. Ancak polimerin sertliği ve dayanıklılığındaki artışın belli bir konsantrasyondan sonra platoya ulaştığı gözlemlenmiş, bu da nanoparçacık kümeleşmelerine bağlanmıştır. Son olarak, gümüş nanoparçacıklarının su, etilen glikol ve hekzanın termal iletkenliğine olan etkisi araştırılmıştır. Gümüş nanoparçacıkların eklenmesiyle beraber hekzan ve etilen glikolün termal iletkenliğinde artış bulunmuştur, ancak sonuçlar su ölçümlerinde karşıttır. Bu sonuç arayüzey termal rezistansı ve nanoakışkan vizkositesi ile bağdaştırılabilir, ancak suyun termal iletkenliğindeki bozulma tamamen açıklanamaz.

Nanoparticles, known to have superior properties; are considered in a wide range of applications in the field of photonics, optoelectronics, biological and magnetic practices. Photothermal effect due to surface plasmon resonance in metal nanoparticles has become a great interest to be used for several applications in many disciplines. It is possible to find biological studies taking advantage of this effect in aqueous environment. However, there exist only a few interested in tracking and controlling the local temperature profile in solid medium. Although the morphology and crystallinity of polymers can be governed, in situ, via altering the heat released from photoexcitation of metal nanoparticles. In this work, remote actuation of metal, in particular gold and silver, nanoparticles is aimed to be investigated. The local temperature change due to photothermal heating of gold nanoparticles in poly (ethylene oxide) was followed with using fluorescence probes as thermal sensors. On the other hand, a method is proposed to study Raman crystallinity as a function of temperature using the conformational changes in poly (ethylene oxide). Gold nanoparticles are heated by photothermal effect to actuate magnetite doped poly (DL-lactide-co-glycolide); which is a shape memory polymer, and multi stages of shape memory schemes were successfully achieved. At the same time, the influence of gold and silver nanoparticles (at diameter of 10 and 30 nm) on thermal and mechanical properties of polymers was studied. The mechanical properties of poly (ethylene oxide) were found to be enhanced with addition of nanoparticles regardless of the nanoparticle type and size. However, the increase in stiffness and strength of poly (ethylene oxide) reached a plateau above a certain concentration, which is attributed to nanoparticle agglomerations. Finally, the effect of silver nanoparticles on the thermal conductivity of water, ethylene glycol and hexane was investigated. The thermal conductivity of different base fluids such as hexane and ethylene glycol was found to increase upon addition of silver nanoparticles whereas, the results for water measurements was contradictory. Although, this result can be correlated with interfacial thermal resistance and viscosity of the nanofluid, the deterioration in thermal conductivity of water cannot be fully explained.