नैनोकण संश्लेषण और संयोजन

नैनोकण संश्लेषण और संयोजन विलयन में नियंत्रित आकार और आकृति के धातु और अकार्बनिक कणों को बनाने तथा उन्हें व्यवस्थित अतिसंरचनाओं में संगठित करने का रसायन विज्ञान है।

Definition

नैनोकण संश्लेषण परिभाषित आकार, आकृति और संरचना के नैनोमीटर-स्केल कणों का नियंत्रित निर्माण है, जो आमतौर पर विलयन में होता है; संयोजन ऐसे कणों को व्यवस्थित द्वि- या त्रि-आयामी सरणियों में संगठित करना है जिनका सामूहिक व्यवहार पृथक कणों से भिन्न हो सकता है।

Scope

यह विषय नैनोकणों के बॉटम-अप, विलयन-प्रावस्था (solution-phase) निर्माण को शामिल करता है: कोलाइडल प्रणालियों में नाभिकीयकरण (nucleation) और वृद्धि, आकार और आकृति को नियंत्रित करने में कैपिंग लिगेंड (capping ligands) और सर्फेक्टेंट (surfactants) की भूमिका, धातु और ऑक्साइड कणों के लिए अपचयन और अपघटन मार्ग, और नाभिकीयकरण को वृद्धि से अलग करना जिससे मोनोडिस्पर्स (monodisperse) उत्पाद प्राप्त होते हैं। इसमें यह भी शामिल है कि नैनोकणों को कैसे सुखाने, लिगेंड अंतःक्रियाओं, या टेम्पलेटिंग (templating) द्वारा अतिजालकों (superlattices) और कार्यात्मक फिल्मों में संयोजित करने के लिए निर्देशित किया जाता है।

Core questions

• नाभिकीयकरण और वृद्धि नैनोकण के आकार वितरण को कैसे नियंत्रित करते हैं?
• आकृति नियंत्रण में लिगेंड और सर्फेक्टेंट की क्या भूमिका है?
• मोनोडिस्पर्स नैनोकण कैसे प्राप्त किए जाते हैं?
• नैनोकणों को व्यवस्थित अतिसंरचनाओं में कैसे संयोजित किया जा सकता है?

Key concepts

• नाभिकीयकरण और वृद्धि
• कैपिंग लिगेंड और सर्फेक्टेंट
• मोनोडिस्पर्सिटी
• विषमदैशिक आकृति नियंत्रण
• नैनोकण अतिजालक
• टेम्पलेट-निर्देशित संयोजन

Key theories

नाभिकीयकरण और वृद्धि का पृथक्करण

मोनोडिस्पर्स नैनोकण तब बनते हैं जब नाभिकीयकरण के एक विस्फोट के बाद प्रसार-सीमित वृद्धि होती है, जिससे सभी कण एक ही समय के लिए बढ़ते हैं; इस पृथक्करण को नियंत्रित करना कोलाइडल संश्लेषण का आधार है जो संकीर्ण आकार वितरण प्रदान करता है।

लिगेंड-निर्देशित आकृति नियंत्रण और स्व-संयोजन

सर्फेक्टेंट और कैपिंग अणु विभिन्न क्रिस्टल पहलुओं पर चुनिंदा रूप से अधिशोषित होते हैं ताकि विषमदैशिक वृद्धि को निर्देशित किया जा सके, और वे अंतःकण बलों को मध्यस्थ करते हैं जो मोनोडिस्पर्स कणों को वाष्पीकरण पर व्यवस्थित अतिजालकों में स्व-संगठित होने देते हैं।

Mechanisms

एक अग्रदूत (precursor) का अपचयन या अपघटन मोनोमर (monomer) का निर्माण करता है जब तक कि अतिसंतृप्ति नाभिकों के एक विस्फोट को ट्रिगर नहीं करती; ये मोनोमर के जुड़ने और ओस्टवाल्ड राइपनिंग (Ostwald ripening) द्वारा बढ़ते हैं, जबकि अधिशोषित लिगेंड सतहों को कैप करते हैं, अंतिम आकार निर्धारित करते हैं, और पहलू-चयनात्मक वृद्धि (facet-selective growth) और बाद के व्यवस्थित संयोजन को निर्देशित करते हैं।

Clinical relevance

नियंत्रित नैनोकण संश्लेषण अनुकूलित पहलुओं वाले उत्प्रेरक, संवेदन और इमेजिंग के लिए प्लास्मोनिक (plasmonic) सोने और चांदी के कण, डेटा भंडारण और पृथक्करण के लिए चुंबकीय कण, और व्यवस्थित नैनोकण सरणियों से संयोजित मेटासामग्री (metamaterials) के लिए बिल्डिंग ब्लॉक प्रदान करता है।

History

लामेर (LaMer) का बीसवीं सदी के मध्य का विस्फोट नाभिकीयकरण (burst nucleation) के बाद नियंत्रित वृद्धि का मॉडल मोनोडिस्पर्स कोलाइड्स (monodisperse colloids) बनाने के लिए वैचारिक आधार प्रदान करता है। बीसवीं सदी के अंत में समन्वय-विलायक (coordinating-solvent) और सर्फेक्टेंट रसायन विज्ञान में प्रगति, जिसका सारांश एल-सईद (El-Sayed) और अन्य ने दिया है, ने आकार और आकृति को नियमित रूप से नियंत्रणीय बना दिया, और परिणामस्वरूप एकसमान कणों ने स्व-संयोजित नैनोकण अतिजालकों के अध्ययन को सक्षम किया।

Key figures

• Mostafa El-Sayed
• Victor LaMer
• Geoffrey Ozin

Seminal works

• elsayed2005
• ozin2009

Frequently asked questions

समान नैनोकणों के लिए नाभिकीयकरण को वृद्धि से अलग करना क्यों महत्वपूर्ण है?

यदि नए कण लगातार नाभिकीयकरण करते रहते हैं जबकि अन्य बढ़ते हैं, तो अंतिम जनसंख्या आयु और इसलिए आकार की एक विस्तृत श्रृंखला को कवर करती है। नाभिकीयकरण को एक संक्षिप्त विस्फोट में केंद्रित करना, जिसके बाद केवल वृद्धि होती है, यह सुनिश्चित करता है कि सभी कण लगभग एक ही समय के लिए बढ़ते हैं और लगभग एक ही आकार के होते हैं।

एक नैनोकण अतिजालक को क्या एक साथ रखता है?

व्यवस्थित नैनोकण सरणियाँ मुख्य रूप से कणों को कोट करने वाले कार्बनिक लिगेंड के बीच अंतःक्रियाओं, साथ ही अकार्बनिक कोर के बीच वैन डेर वाल्स आकर्षण द्वारा एक साथ रखी जाती हैं। ये नरम, ट्यून करने योग्य बल मोनोडिस्पर्स कणों को क्रिस्टलीय अतिजालकों में पैक करने देते हैं जैसे परमाणु एक क्रिस्टल में पैक होते हैं।