Síntesis y Ensamblaje de Nanopartículas
La síntesis y el ensamblaje de nanopartículas es la química de fabricar partículas metálicas e inorgánicas de tamaño y forma controlados en solución y organizarlas en superestructuras ordenadas.
Definition
La síntesis de nanopartículas es la formación controlada de partículas a escala nanométrica de tamaño, forma y composición definidos, generalmente en solución; el ensamblaje es la organización de dichas partículas en matrices ordenadas bidimensionales o tridimensionales cuyo comportamiento colectivo puede diferir del de las partículas aisladas.
Scope
Este tema abarca la preparación de nanopartículas de abajo hacia arriba, en fase de solución: nucleación y crecimiento en sistemas coloidales, el papel de los ligandos de recubrimiento y los tensioactivos en el control del tamaño y la forma, las rutas de reducción y descomposición a partículas metálicas y de óxido, y la separación de la nucleación del crecimiento que produce productos monodispersos. También cubre cómo se dirigen las nanopartículas para que se ensamblen —mediante secado, interacciones de ligandos o plantillas— en superredes y películas funcionales.
Core questions
- ¿Cómo controlan la nucleación y el crecimiento la distribución del tamaño de las nanopartículas?
- ¿Qué papel juegan los ligandos y los tensioactivos en el control de la forma?
- ¿Cómo se obtienen nanopartículas monodispersas?
- ¿Cómo se pueden ensamblar las nanopartículas en superestructuras ordenadas?
Key concepts
- Nucleación y crecimiento
- Ligandos de recubrimiento y tensioactivos
- Monodispersidad
- Control de forma anisotrópica
- Superredes de nanopartículas
- Ensamblaje dirigido por plantilla
Key theories
- Separación de nucleación y crecimiento
- Las nanopartículas monodispersas resultan cuando una explosión de nucleación es seguida por un crecimiento limitado por difusión, de modo que todas las partículas crecen durante el mismo tiempo; controlar esta separación es la base de las síntesis coloidales que producen distribuciones de tamaño estrechas.
- Control de forma y autoensamblaje dirigidos por ligando
- Las moléculas tensioactivas y de recubrimiento se adsorben selectivamente en diferentes facetas cristalinas para dirigir el crecimiento anisotrópico, y median las fuerzas interpartículas que permiten que las partículas monodispersas se autoorganicen en superredes ordenadas al evaporarse.
Mechanisms
La reducción o descomposición de un precursor acumula monómero hasta que la sobresaturación desencadena una explosión de núcleos; estos crecen por adición de monómero y por maduración de Ostwald, mientras que los ligandos adsorbidos recubren las superficies, establecen el tamaño final y dirigen el crecimiento selectivo de facetas y el posterior ensamblaje ordenado.
Clinical relevance
La síntesis controlada de nanopartículas proporciona catalizadores con facetas adaptadas, partículas plasmónicas de oro y plata para detección e imagen, partículas magnéticas para almacenamiento de datos y separaciones, y los bloques de construcción para metamateriales ensamblados a partir de matrices ordenadas de nanopartículas.
History
El modelo de LaMer de mediados del siglo XX de nucleación explosiva seguida de crecimiento controlado proporcionó la base conceptual para la fabricación de coloides monodispersos. Los avances de finales del siglo XX en la química de disolventes coordinantes y tensioactivos, resumidos por El-Sayed y otros, hicieron que el tamaño y la forma fueran rutinariamente controlables, y las partículas uniformes resultantes permitieron el estudio de superredes de nanopartículas autoensambladas.
Key figures
- Mostafa El-Sayed
- Victor LaMer
- Geoffrey Ozin
Related topics
Seminal works
- elsayed2005
- ozin2009
Frequently asked questions
- ¿Por qué es importante separar la nucleación del crecimiento para obtener nanopartículas uniformes?
- Si nuevas partículas siguen nucleando mientras otras crecen, la población final abarca un amplio rango de edades y, por lo tanto, de tamaños. Concentrar la nucleación en una breve explosión, después de la cual solo ocurre el crecimiento, asegura que todas las partículas crezcan durante casi el mismo tiempo y terminen teniendo casi el mismo tamaño.
- ¿Qué mantiene unida una superred de nanopartículas?
- Las matrices ordenadas de nanopartículas se mantienen unidas en gran medida por las interacciones entre los ligandos orgánicos que recubren las partículas, junto con la atracción de van der Waals entre los núcleos inorgánicos. Estas fuerzas suaves y ajustables permiten que las partículas monodispersas se empaqueten en superredes cristalinas de manera similar a como los átomos se empaquetan en un cristal.