JP2018502950A - メソゲンリガンドで機能化されたナノ粒子の三次元構造、及びこれを作製して使用する方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本開示の態様は、ナノ粒子から構成されている三次元構造を含む。「ナノ粒子」とは、ナノメートル(nm)スケールのサイズ範囲を有する粒子を意味する。例えば、ナノ粒子は、0.1 nm〜1000nmの範囲内のサイズのような1000nm以下のサイズ(例えば最大寸法)を有してもよい。本開示の三次元構造は、長さ、幅及び高さのような3つの寸法で延びている形状を有する構造を含む。三次元構造は、一次元構造(例えば線形構造)及び二次元構造(例えば平面構造)とは異なる。
上述したように、本開示の三次元構造は、空間又は材料を部分的に又は完全に包むシェル構成を有してもよい。ある実施形態では、シェルは活性剤又はインクのような材料を包む。場合によっては、活性剤は薬である。三次元構造内の活性剤の封止は、所望の箇所への活性剤の送達、所望の製剤への活性剤の処方、活性剤の安定性の向上、活性剤の放出の制御、活性剤の放出の遅延などの一又は複数を容易にしてもよい。三次元構造内のインクの封止は、基板の表面へのインクの塗布、インクの発光スペクトルの調整(例えば動的な変化のような変化)などの一又は複数を容易にしてもよい。
本開示の態様は、本明細書に記載されている安定して関連付けられてメソゲンリガンドで機能化されたナノ粒子の三次元構造を形成する方法を含む。三次元構造を形成する方法では、液晶性流体(例えば液晶性液体)中でナノ粒子を分散させる。三次元構造を形成するための方法に使用されるナノ粒子は、本明細書に記載されているようなナノ粒子のいずれであってもよい。例えば、ナノ粒子は、本明細書に記載されているようなメソゲンリガンドで機能化されたナノ粒子のようなリガンドで機能化されたナノ粒子であってもよい。
本構造、本組成物及び本方法は、三次元微細構造、例えばシェル構成(例えば微細シェル)を有する三次元微細構造が望まれる様々な異なる用途に使用される。例えば、三次元微細構造、組成物及び方法は、発光素子、例えばこれらに限定されないがビデオディスプレイ、光源などの構成要素である発光素子に使用される。これらの実施形態では、三次元微細構造は基板の表面に設けられてもよい。例えば、三次元微細構造は基板の表面に設けられてもよく、例えば基板の表面に三次元微細構造の層として設けられてもよい。基板は、発光素子での使用に適したあらゆる所望のタイプの基板であってもよく、例えば、これらに限定されないが集積回路のための基板又は微小電気機械システム(MEMS)デバイスのための基板など(例えばシリコン基板)であってもよい。
本開示の態様は、本明細書に詳述されているような三次元構造を含んでいるキットを更に含む。場合によっては、キットは三次元構造を収容するための包装体を含んでいる。ある実施形態では、包装体は、例えば任意に気密及び/又は真空の密閉下の耐湿性の容器内の密閉された包装体であってもよい。場合によっては、包装体は、無菌環境下で包装体に包まれた三次元構造を保持するように構成された無菌包装体である。「無菌」とは、微生物(例えば菌類、細菌、ウィルス、胞子の形態など)が実質的に存在しないことを意味する。キットは流体(例えば液体)を更に含んでもよい。例えば、キットは、液体、例えば三次元構造が与えられる液体を含んでもよい。例えば、三次元構造は液体中で分散してもよい。三次元構造が分散してもよい液体として、液晶性流体(例えば液晶性液体)、溶媒(例えばトルエン、ジメチルベンゼン、メチルイソプロピルベンゼンなどの有機溶媒)などが含まれるが、これらに限定されない。
実施例1
この実施例で使用されるメソゲンリガンドが図1に示されている。リガンド分子は、末端で可撓性領域に囲まれた剛性の芳香族コア領域を含み、そのため、リガンドは、均一な分散をもたらすべくホスト液晶マトリクスと相互に作用することができた。リガンドを粒子表面に付着させるアルキルアミン側アームに様々な長さを夫々有する2つの種類、つまりメソゲンリガンド(リガンドL1及びリガンドL2)及び架橋性メソゲンリガンド(リガンドL3及びリガンドL4)にリガンドを分けた。34℃でネマチック相から等方相への転移を示したホスト相(5CB(4-シアノ-4'-ペンチルビフェニル))に対して、リガンドは100 ℃を超えた高い透明点を有する純粋な状態の液晶相を示した。
温度安定性に関して、リガンドL1及びリガンドL2を使用してQDシェルの2つの異なる形態をテストした。両方の場合で、シェルの構造は温度変化に対して非常に堅牢であり、液晶相中で分散したときに全く撓まなかった。システムを液晶の等方点に再加熱すると、周囲の液晶の著しい流れにも関わらず、顕著な形状変化がシェルで観察されなかった。転移点で、等方性領域がホスト相で凝集し始めると、既に形成されたシェルは等方性領域に移動してクラスタ化した。これらのシェルのミクロンスケールのサイズは、弾性力がこの処理において重要であることを示した。
小角X線回析(SAXS)及び透過電子顕微鏡検査(TEM )を使用して、システムの構造の特徴分析のために実験を行った。
相対的に堅牢なQDシェルがホストLC材料中で略120 ℃までの温度で安定していることを確認し、シェルがホスト液晶材料から除去されて異なる溶媒で再懸濁され得るか否かを判断するために実験を行った。この工程を行うことにより、集合体の適用の可能性を拡げることができる。LCホスト材料5CB は別個の光学的性質を有する粘性流体であった。トルエンのような有機溶媒中で集合体を再度分散させることにより、集合体は、様々な被覆体及び溶液に基づく製剤に使用するために処理されることを可能にした。
自己集合したナノ粒子の微細シェルを生成するための方法をテストした。調整可能なメソゲンリガンドによって媒介される処理を使用して液晶ホスト材料中の等方相からネマチック相への界面で構造をテンプレートした。
概要
市販供給源(Aldrich, TCI-America, AK-Scientific and Acros)から溶媒及び化学製品を得て、そのまま使用した。1Hスペクトル及び13CNMRスペクトルを、DCH クリオプローブを備えたBruker DRX-600又はBruker DRX-500で記録した。内部標準として残りのCHCl3 又はH2O に対して化学シフト(δ)をppm で表現する。プロトン磁気共鳴(1H NMR)スペクトルを600MHz又は500MHzのいずれかで記録した。炭素磁気共鳴(13C NMR )スペクトルを150MHz又は125MHzのいずれかで記録した。別途記載のない限り、295KでNMR 取得を行った。略語は、sが一重項であり、dが二重項であり、tが三重項であり、qが四重項であり、br sが幅広い一重項である。EMD Chemicals Inc.によってめっきされて予め被覆されたシリカゲル60 F254 を使用してTLC 分析を行った。
一般手順
13C NMR (101 MHz,クロロホルム-d) δ 164.6, 159.1, 135.4, 110.4, 106.9, 99.7, 68.5, 31.8, 29.5, 29.3, 29.2, 29.0, 28.3, 25.9, 22.6, 14.1
13C NMR (101 MHz,クロロホルム-d) δ = 164.3, 164.2, 163.6, 163.3, 161.7, 150.9, 50.6, 137.6, 137.1, 132.1, 127.8, 122.3, 122.0, 121.9, 114.0, 111.4, 67.8, 31.9, 31.8, 31.8, 29.5, 29.4, 29.3, 29.3, 29.2, 29.1, 26.0, 25.9, 22.7, 22.6, 22.6, 13.9, 13.9, 13.8
13C NMR (101 MHz,アセトン)δ157.3, 149.0, 139.4, 131.1, 127.9, 127.3, 121.6, 115.7
13C NMR (101 MHz,クロロホルム-d) δ 168.6, 165.9, 165.1, 164.4, 163.6, 161.2, 157.6, 150.2, 149.8, 147.8, 144.3, 141.8, 139.1, 138.6, 137.9, 137.2, 134.5, 131.6, 128.1, 127.9, 127.9, 122.3, 122.1, 121.5, 109.16, 108.35, 106.8, 106.1, 104.3, 101.2, 99.4, 68.5, 68.4, 68.1, 39.1, 31.7, 31.7, 29.2, 29.1, 29.0, 28.9, 25.9, 25.8, 22.5, 13.9
13C NMR (101 MHz,クロロホルム-d) δ 168.6, 165.9, 165.1, 164.4, 163.6, 161.2, 157.6, 150.2, 149.8, 147.8, 144.3, 141.8, 139.1, 138.6, 137.9, 137.2, 134.5, 131.6, 128.1, 127.96, 127.95, 122.3, 122.1, 121.5, 109.1, 108.3, 106.8, 106.1, 104.3, 101.2, 99.4, 68.5, 68.4, 68.1, 39.1, 31.7, 31.7, 29.2, 29.2, 29.1, 29.1, 29.1, 29.0, 28.9, 28.9, 25.9, 25.8, 22.5, 13.9
合成されたリガンドを夫々最初に、偏光光学顕微鏡検査及び示差走査熱量測定(DSC )によって特徴付けた。顕微鏡検査によって、両方の材料がスメクチック相及びネマチック相を示すことを確認した。これらの研究によって更に、その相転移が略180 ℃で生じて材料がこのような高温で安定しなかったので、材料が等方相に可逆的に加熱され得ないことが示された。これは、架橋性リガンドの場合にも当てはまる。しかしながら、材料を略125 ℃のより適度な温度に可逆的に加熱することができ、この温度では材料はスメクチック相のままであり、スメクチック転移を示す結晶が観察された。化合物L2は、2つの別個のスメクチック相を示した。
L1 K → Sm
(83.8℃)
L2 K → Sm1 → Sm2
(83.8℃)(67.0℃)
全体の粒子リガンド密度を熱重量分析(TGA )を使用して近似した。ODA-QD粒子の試料をTGA 試料カップ内で乾燥し、圧縮空気の一定の流れを受けて25℃〜1000℃で毎分5℃の加熱プログラムに曝した。質量の減少率を使用して試料中の有機リガンド(ODA )の全質量を近似した。別々に、CdSe量子ドット(QD)粒子の濃度を分光測定した。これら2つの値を使用して、全体のリガンド被覆率及び粒子毎のリガンド交換可能な箇所の数を近似した。
X線散乱実験を、Stanford Synchrotron radiation light source(SSRL)のビームライン4-2 に関して行った。試料に11 keVビームを0.3 ×0.1 mmのビームスポットサイズで使用した。5CB に分散したQDシェルを生成後に1mmの石英毛細管に充填し、毛細管の平行移動及び回転を可能にするカスタム設計のサンプルホルダのビームライン上に透過形態で取り付けた。試料をX線ビームに3つの異なるスポットで1秒間曝し、散乱データを、3072×3072の解像度、73.242μmの画素サイズ及び2×2のビニングでRayonix MX225-HE CCD検出器で収集した。散乱データを最初に補正してビームラインでカスタムソフトウェアを使用して分析し、散乱ベクトルの関数qとして強度の1D散乱プロットを生成した。必要に応じてピークフィッティング及び更なるバックグラウンド除去を含むOriginを使用して更なる分析を行った。
蛍光顕微鏡検査を使用して、ホスト相中のLC−QDの空間分布を撮像した。本明細書に示されている全ての実験で、620 nmに中心がある発光波長を有するCdSe/ZnS コアシェルQDを使用した。直立型Leica DM2500P 顕微鏡の反射モードで20倍の対物レンズ又は40倍の対物レンズを使用して蛍光撮像を行った。620 nmにピーク発光を有するQDの蛍光撮像のために、白色光水銀灯照明と共に515 〜560 nmの帯域フィルタを使用した。580 nmのダイクロイックミラー及び590 nmのロングパスフィルタを使用して発光を検出した。顕微鏡を、交差した偏光子を有する白色光源と共に転移モードで更に使用し、試料の複屈折を撮像した。カバースリップの下の標準的なガラススライドに試料を置いて、ラビング処理されたPVA 表面被覆体を使用して平面液晶配向を達成した。
5CB 液晶中で懸濁したQDシェルを、空孔炭素200 メッシュ銅グリッドにドロップキャストし、更なる処置無しに撮像した。イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校のMaterials Research Laboratory施設内のJeol 2100 Cryo TEM機器を使用して試料を観察した。機器は、0.27nmの2点間解像度を有し、BF/DF 撮像、回析及び高い試料傾斜を可能にした。試料のリアルタイム透過画像を、Gatan UltraScan 2k×2k CCDカメラを使用して低い接写モードで撮像した。
上述した手順に従って、更なるメソゲンリガンド(リガンドL5〜L16 )を合成した。HPLC及びMSの特徴分析データを含めてリガンドL5〜L16 の構造を、以下の表1に示す。
上述した手順に従って三次元シェル構造を形成するために、QDナノ粒子の表面でメソゲンリガンドL5,L6,L7,L8,L9,L11 ,L14 及びL15 を夫々交換した。
Claims (29)
- 安定して関連付けられてメソゲンリガンドで機能化されたナノ粒子の三次元構造。
- シェル構成を有することを特徴とする請求項1に記載の三次元構造。
- 前記シェル構成は球面の構成を有することを特徴とする請求項2に記載の三次元構造。
- 寸法が0.01μm〜10μmであることを特徴とする請求項2に記載の三次元構造。
- 前記球面の平均直径が0.01μm〜10μmであることを特徴とする請求項3に記載の三次元構造。
- 前記ナノ粒子の平均直径が1nm〜100 nmであることを特徴とする請求項1に記載の三次元構造。
- 前記ナノ粒子は、半導体材料、金属、金属酸化物、メタロイド、酸化物、磁性材料及びポリマーから選択された材料、又はこれらの組合せから構成されていることを特徴とする請求項1に記載の三次元構造。
- 物理的特徴及び化学的特徴が実質的に同一のナノ粒子から構成されていることを特徴とする請求項1に記載の三次元構造。
- 物理的特徴及び/又は化学的特徴が異なるナノ粒子から構成されていることを特徴とする請求項1に記載の三次元構造。
- 前記メソゲンリガンドで機能化されたナノ粒子は、前記ナノ粒子の表面に付着したメソゲンリガンドを含んでいることを特徴とする請求項1に記載の三次元構造。
- 前記メソゲンリガンドは架橋性官能基を含んでいることを特徴とする請求項10に記載の三次元構造。
- 前記架橋性官能基は、光によって活性化する架橋性官能基であることを特徴とする請求項11に記載の三次元構造。
- 前記メソゲンリガンドは、式(l) の構造を有し、
- 前記メソゲンリガンドは、以下からなる群から選択されていることを特徴とする請求項10に記載の三次元構造。
- 前記三次元構造内に封止された活性剤を更に含んでいることを特徴とする請求項1乃至14のいずれか一項に記載の三次元構造。
- 前記三次元構造内に封止されたインクを更に含んでいることを特徴とする請求項1乃至14のいずれか一項に記載の三次元構造。
- 液体と、
前記液体中の請求項1乃至14のいずれか一項に記載の構造と
を含んでいることを特徴とする組成物。 - 前記液体は有機溶媒であることを特徴とする請求項17に記載の組成物。
- 安定して関連付けられてメソゲンリガンドで機能化されたナノ粒子の三次元構造を形成するための組成物であって、
メソゲンリガンドで機能化されたナノ粒子と、
液晶性液体と
を含んでいることを特徴とする組成物。 - 前記メソゲンリガンドで機能化されたナノ粒子のメソゲンリガンドの相転移温度が、前記液晶性液体の相転移温度より高いことを特徴とする請求項19に記載の組成物。
- 安定して関連付けられてメソゲンリガンドで機能化されたナノ粒子の三次元構造を形成する方法であって、
メソゲンリガンドで機能化されたナノ粒子を液晶性液体中に分散させて、
前記液晶性液体中で相転移を生じさせて、安定して関連付けられてメソゲンリガンドで機能化されたナノ粒子の三次元構造を形成することを特徴とする方法。 - 前記メソゲンリガンドで機能化されたナノ粒子を分散させる際に、前記液晶性液体中のメソゲンリガンドで機能化されたナノ粒子に音エネルギーを与えることを特徴とする請求項21に記載の方法。
- 相転移を生じさせる際に、前記液晶性液体の温度を下げることを特徴とする請求項21に記載の方法。
- 前記液晶性液体中の相転移は、等方相からネマチック相への相転移であることを特徴とする請求項21に記載の方法。
- 前記三次元構造内で前記メソゲンリガンドで機能化されたナノ粒子を更に架橋することを特徴とする請求項21に記載の方法。
- 前記メソゲンリガンドで機能化されたナノ粒子は、光によって活性化する架橋性官能基を含んでおり、架橋する際に、前記光によって活性化する架橋性官能基を活性化して前記ナノ粒子間に一又は複数の架橋を生成するのに十分な光を前記ナノ粒子に与えることを特徴とする請求項25に記載の方法。
- 請求項21に記載の方法によって形成されて安定して関連付けられてメソゲンリガンドで機能化されたナノ粒子の三次元構造を含んでいることを特徴とする組成物。
- 基板と、
前記基板の表面に設けられた請求項1乃至14のいずれか一項に記載の構造と
を含んでいることを特徴とする発光素子。 - ビデオディスプレイ又は光源の構成要素であることを特徴とする請求項28に記載の発光素子。
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