Nanopartikelsynthese und -assemblierung

Die Nanopartikelsynthese und -assemblierung ist die Chemie der Herstellung von Metall- und anorganischen Partikeln definierter Größe und Form in Lösung und deren Organisation zu geordneten Überstrukturen.

Definition

Nanopartikelsynthese ist die kontrollierte Bildung von Partikeln im Nanometerbereich mit definierter Größe, Form und Zusammensetzung, üblicherweise in Lösung; Assemblierung ist die Organisation solcher Partikel zu geordneten zwei- oder dreidimensionalen Anordnungen, deren kollektives Verhalten sich von dem der isolierten Partikel unterscheiden kann.

Scope

Dieses Thema behandelt die Bottom-up-Herstellung von Nanopartikeln in Lösung: Keimbildung und Wachstum in kolloidalen Systemen, die Rolle von Capping-Liganden und Tensiden bei der Kontrolle von Größe und Form, Reduktions- und Zersetzungswege zu Metall- und Oxidpartikeln sowie die Trennung von Keimbildung und Wachstum, die zu monodispersen Produkten führt. Es behandelt auch, wie Nanopartikel durch Trocknung, Ligandenwechselwirkungen oder Templatbildung zur Assemblierung – zu Übergittern und funktionellen Filmen – gelenkt werden.

Core questions

• Wie steuern Keimbildung und Wachstum die Größenverteilung von Nanopartikeln?
• Welche Rolle spielen Liganden und Tenside bei der Formkontrolle?
• Wie werden monodisperse Nanopartikel erhalten?
• Wie können Nanopartikel zu geordneten Überstrukturen assembliert werden?

Key concepts

• Keimbildung und Wachstum
• Capping-Liganden und Tenside
• Monodispersität
• Anisotrope Formkontrolle
• Nanopartikel-Übergitter
• Templatgesteuerte Assemblierung

Key theories

Trennung von Keimbildung und Wachstum

Monodisperse Nanopartikel entstehen, wenn einem Keimbildungsschub ein diffusionsbegrenztes Wachstum folgt, sodass alle Partikel gleich lange wachsen; die Kontrolle dieser Trennung ist die Grundlage kolloidaler Synthesen, die enge Größenverteilungen ergeben.

Ligandengesteuerte Formkontrolle und Selbstassemblierung

Tensid- und Capping-Moleküle adsorbieren selektiv an verschiedenen Kristallfacetten, um anisotropes Wachstum zu steuern, und sie vermitteln die interpartikulären Kräfte, die es monodispersen Partikeln ermöglichen, sich beim Verdampfen zu geordneten Übergittern selbst zu organisieren.

Mechanisms

Die Reduktion oder Zersetzung eines Präkursors baut Monomer auf, bis Übersättigung einen Keimbildungsschub auslöst; diese wachsen durch Addition von Monomer und durch Ostwald-Reifung, während adsorbierte Liganden Oberflächen bedecken, die Endgröße festlegen und facettenselektives Wachstum sowie die anschließende geordnete Assemblierung steuern.

Clinical relevance

Die kontrollierte Nanopartikelsynthese liefert Katalysatoren mit maßgeschneiderten Facetten, plasmonische Gold- und Silberpartikel für Sensorik und Bildgebung, magnetische Partikel für Datenspeicherung und Trennungen sowie die Bausteine für Metamaterialien, die aus geordneten Nanopartikelanordnungen zusammengesetzt sind.

History

Lamers Modell der Keimbildung im mittleren 20. Jahrhundert, gefolgt von kontrolliertem Wachstum, lieferte die konzeptionelle Grundlage für die Herstellung monodisperser Kolloide. Fortschritte in der Chemie der koordinierenden Lösungsmittel und Tenside im späten 20. Jahrhundert, zusammengefasst von El-Sayed und anderen, machten Größe und Form routinemäßig kontrollierbar, und die resultierenden gleichmäßigen Partikel ermöglichten die Untersuchung selbstassemblierter Nanopartikel-Übergitter.

Key figures

• Mostafa El-Sayed
• Victor LaMer
• Geoffrey Ozin

Seminal works

• elsayed2005
• ozin2009

Frequently asked questions

Warum ist die Trennung von Keimbildung und Wachstum für gleichmäßige Nanopartikel wichtig?

Wenn neue Partikel weiterhin keimen, während andere wachsen, umfasst die endgültige Population eine breite Palette von Altern und damit Größen. Die Konzentration der Keimbildung auf einen kurzen Schub, nach dem nur noch Wachstum stattfindet, stellt sicher, dass alle Partikel nahezu gleich lange wachsen und am Ende nahezu die gleiche Größe haben.

Was hält ein Nanopartikel-Übergitter zusammen?

Geordnete Nanopartikelanordnungen werden größtenteils durch Wechselwirkungen zwischen den organischen Liganden, die die Partikel umhüllen, zusammengehalten, zusammen mit Van-der-Waals-Anziehung zwischen den anorganischen Kernen. Diese weichen, abstimmbaren Kräfte ermöglichen es monodispersen Partikeln, sich zu kristallinen Übergittern zu packen, ähnlich wie Atome sich zu einem Kristall packen.