Kimia Nanomaterial

Kimia nanomaterial mempelajari sintesis, struktur, dan sifat material yang bergantung pada ukuran dengan setidaknya satu dimensi dalam rentang nanometer, di mana keterbatasan kuantum (quantum confinement) dan rasio luas permukaan terhadap volume yang sangat tinggi menghasilkan perilaku yang berbeda dari material ruah (bulk).

Definition

Kimia nanomaterial adalah studi tentang bagaimana ukuran, bentuk, dan kimia permukaan material skala nano dikendalikan melalui sintesis dan bagaimana hal tersebut menimbulkan sifat-sifat — optik, elektronik, dan katalitik — yang berbeda dari padatan ruah yang bersesuaian.

Scope

Area ini mencakup prinsip-prinsip kimia materi pada skala nano: titik kuantum (quantum dots) dan nanokristal berdimensi nol yang sifat optiknya bergantung pada ukuran; lembaran dua dimensi seperti grafena dan dikalkogenida logam transisi; sintesis koloid dan fase larutan nanopartikel serta perakitannya menjadi superstruktur teratur; dan rute kimia lunak (soft-chemical), sol-gel, serta templat yang digunakan untuk membangun padatan nanostruktur. Sepanjang pembahasan ini, ukuran dan bentuk dihubungkan dengan fungsi elektronik, optik, dan katalitik.

Sub-topics

• Nanoparticle Synthesis and Assembly
• Quantum Dots and Nanocrystals
• Sol-Gel and Soft Chemistry
• Two-Dimensional Materials

Core questions

• Mengapa sifat material berubah ketika padatan direduksi menjadi dimensi nanometer?
• Bagaimana nanokristal, nanolembah (nanosheets), dan nanopartikel disintesis dengan ukuran dan bentuk yang terkontrol?
• Bagaimana dominasi atom permukaan mengubah kimia pada skala nano?
• Bagaimana blok bangunan skala nano dapat dirakit menjadi arsitektur fungsional?

Key concepts

• Keterbatasan kuantum (Quantum confinement)
• Rasio luas permukaan terhadap volume
• Sintesis nanokristal koloid
• Kontrol bentuk dan bidang kristal (facet)
• Perakitan mandiri nanostruktur
• Ligand permukaan dan agen penutup (capping agents)

Key theories

Keterbatasan kuantum dalam nanokristal

Ketika kristal semikonduktor menjadi sebanding ukurannya dengan eksiton, tingkat energi elektronik menjadi diskrit dan celah pita efektif melebar seiring berkurangnya ukuran, sehingga penyerapan dan emisi optik dapat disesuaikan hanya dengan mengubah ukuran partikel.

Kontrol bentuk dan permukaan nanokristal

Sifat nanokristal tidak hanya bergantung pada ukuran tetapi juga pada bentuk dan bidang kristal yang terekspos, yang dikendalikan secara kinetik selama sintesis koloid melalui surfaktan dan kondisi pertumbuhan, serta yang mengatur perilaku katalitik dan plasmonik.

Clinical relevance

Kimia nanomaterial mendasari berbagai teknologi: titik kuantum yang dapat disesuaikan ukurannya digunakan dalam tampilan dan bio-pencitraan, nanopartikel dengan luas permukaan tinggi berfungsi sebagai katalis dan elektroda, serta material dua dimensi dieksplorasi untuk elektronik, sensor, dan membran.

History

Pengakuan pada tahun 1980-an dan 1990-an bahwa nanokristal semikonduktor menunjukkan sifat optik yang bergantung pada ukuran, yang dikodifikasi dalam tinjauan Alivisatos tahun 1996, menetapkan keterbatasan kuantum sebagai fenomena yang dapat dikendalikan secara kimia. Kemajuan dalam sintesis koloid kemudian memungkinkan kontrol ukuran dan bentuk yang tepat, dan isolasi grafena pada tahun 2004 membuka kimia material dua dimensi, memperluas bidang ini menjadi disiplin nanokimia.

Key figures

• A. Paul Alivisatos
• Mostafa El-Sayed
• Geoffrey Ozin

Seminal works

• alivisatos1996
• elsayed2005
• ozin2009

Frequently asked questions

Mengapa nanopartikel berperilaku berbeda dari material yang sama dalam bentuk ruah?

Dua efek mendominasi pada skala nano: sebagian besar atom berada di permukaan, mengubah reaktivitas dan energetika, dan untuk semikonduktor yang cukup kecil, elektron-elektronnya terbatas secara kuantum (quantum-confined), yang mendiskretkan tingkat energi dan menggeser sifat optik dan elektronik relatif terhadap material ruah.

Bagaimana warna titik kuantum dapat disesuaikan?

Karena keterbatasan kuantum, celah pita efektif nanokristal semikonduktor meningkat seiring berkurangnya ukurannya. Membuat titik yang lebih kecil menggeser penyerapan dan emisi ke energi yang lebih tinggi (lebih biru), sehingga warna dapat dipilih hanya dengan mengontrol ukuran partikel selama sintesis.