Synthèse et assemblage de nanoparticules

La synthèse et l'assemblage de nanoparticules désignent la chimie de fabrication de particules métalliques et inorganiques de taille et de forme contrôlées en solution, ainsi que leur organisation en superstructures ordonnées.

Definition

La synthèse de nanoparticules est la formation contrôlée de particules à l'échelle nanométrique de taille, de forme et de composition définies, généralement en solution ; l'assemblage est l'organisation de ces particules en réseaux ordonnés bidimensionnels ou tridimensionnels dont le comportement collectif peut différer de celui des particules isolées.

Scope

Ce sujet couvre la préparation ascendante (bottom-up) de nanoparticules en phase solution : la nucléation et la croissance dans les systèmes colloïdaux, le rôle des ligands de coiffage et des tensioactifs dans le contrôle de la taille et de la forme, les voies de réduction et de décomposition pour les particules métalliques et d'oxydes, et la séparation de la nucléation et de la croissance qui conduit à des produits monodisperses. Il aborde également la manière dont les nanoparticules sont dirigées pour s'assembler — par séchage, interactions de ligands ou templating — en super-réseaux et en films fonctionnels.

Core questions

• Comment la nucléation et la croissance contrôlent-elles la distribution de taille des nanoparticules ?
• Quel rôle les ligands et les tensioactifs jouent-ils dans le contrôle de la forme ?
• Comment obtient-on des nanoparticules monodisperses ?
• Comment les nanoparticules peuvent-elles être assemblées en superstructures ordonnées ?

Key concepts

• Nucléation et croissance
• Ligands de coiffage et tensioactifs
• Monodispersité
• Contrôle de forme anisotrope
• Super-réseaux de nanoparticules
• Assemblage dirigé par matrice (templating)

Key theories

Séparation de la nucléation et de la croissance

Des nanoparticules monodisperses sont obtenues lorsqu'une explosion de nucléation est suivie d'une croissance limitée par diffusion, de sorte que toutes les particules croissent pendant la même durée ; le contrôle de cette séparation est la base des synthèses colloïdales qui produisent des distributions de taille étroites.

Contrôle de forme et auto-assemblage dirigés par les ligands

Les molécules tensioactives et de coiffage s'adsorbent sélectivement sur différentes facettes cristallines pour orienter la croissance anisotrope, et elles médient les forces interparticulaires qui permettent aux particules monodisperses de s'auto-organiser en super-réseaux ordonnés lors de l'évaporation.

Mechanisms

La réduction ou la décomposition d'un précurseur accumule des monomères jusqu'à ce que la sursaturation déclenche une explosion de noyaux ; ceux-ci croissent par addition de monomères et par maturation d'Ostwald, tandis que les ligands adsorbés coiffent les surfaces, déterminent la taille finale et dirigent la croissance sélective des facettes et l'assemblage ordonné subséquent.

Clinical relevance

La synthèse contrôlée de nanoparticules fournit des catalyseurs avec des facettes adaptées, des particules plasmoniques d'or et d'argent pour la détection et l'imagerie, des particules magnétiques pour le stockage de données et les séparations, ainsi que les blocs de construction pour les métamatériaux assemblés à partir de réseaux ordonnés de nanoparticules.

History

Le modèle de LaMer du milieu du XXe siècle, décrivant une nucléation en rafale suivie d'une croissance contrôlée, a fourni la base conceptuelle pour la fabrication de colloïdes monodisperses. Les avancées de la fin du XXe siècle en chimie des solvants de coordination et des tensioactifs, résumées par El-Sayed et d'autres, ont rendu la taille et la forme contrôlables de manière routinière, et les particules uniformes résultantes ont permis l'étude des super-réseaux de nanoparticules auto-assemblés.

Key figures

• Mostafa El-Sayed
• Victor LaMer
• Geoffrey Ozin

Seminal works

• elsayed2005
• ozin2009

Frequently asked questions

Pourquoi la séparation de la nucléation et de la croissance est-elle importante pour obtenir des nanoparticules uniformes ?

Si de nouvelles particules continuent de nucléer pendant que d'autres croissent, la population finale couvre un large éventail d'âges et donc de tailles. Concentrer la nucléation en une brève explosion, après laquelle seule la croissance se produit, garantit que toutes les particules croissent pendant presque la même durée et atteignent presque la même taille.

Qu'est-ce qui maintient un super-réseau de nanoparticules ensemble ?

Les réseaux ordonnés de nanoparticules sont maintenus ensemble en grande partie par les interactions entre les ligands organiques recouvrant les particules, ainsi que par l'attraction de van der Waals entre les cœurs inorganiques. Ces forces douces et ajustables permettent aux particules monodisperses de s'organiser en super-réseaux cristallins, de la même manière que les atomes s'organisent en un cristal.