Síntese e Montagem de Nanopartículas

A síntese e montagem de nanopartículas é a química de produzir partículas metálicas e inorgânicas de tamanho e forma controlados em solução e organizá-las em superestruturas ordenadas.

Definition

A síntese de nanopartículas é a formação controlada de partículas em escala nanométrica de tamanho, forma e composição definidos, geralmente em solução; a montagem é a organização de tais partículas em arranjos ordenados bidimensionais ou tridimensionais cujo comportamento coletivo pode diferir do das partículas isoladas.

Scope

Este tópico abrange a preparação de nanopartículas de baixo para cima (bottom-up), em fase de solução: nucleação e crescimento em sistemas coloidais, o papel de ligantes de capeamento e surfactantes no controle de tamanho e forma, rotas de redução e decomposição para partículas de metal e óxido, e a separação da nucleação do crescimento que produz produtos monodispersos. Também aborda como as nanopartículas são direcionadas para se montarem — por secagem, interações de ligantes ou modelagem (templating) — em super-redes e filmes funcionais.

Core questions

• Como a nucleação e o crescimento controlam a distribuição de tamanho das nanopartículas?
• Que papel os ligantes e surfactantes desempenham no controle da forma?
• Como são obtidas nanopartículas monodispersas?
• Como as nanopartículas podem ser montadas em superestruturas ordenadas?

Key concepts

• Nucleação e crescimento
• Ligantes de capeamento e surfactantes
• Monodispersidade
• Controle de forma anisotrópica
• Super-redes de nanopartículas
• Montagem direcionada por molde (template)

Key theories

Separação de nucleação e crescimento

Nanopartículas monodispersas resultam quando uma explosão de nucleação é seguida por crescimento limitado por difusão, de modo que todas as partículas crescem pelo mesmo tempo; controlar essa separação é a base das sínteses coloidais que produzem distribuições de tamanho estreitas.

Controle de forma e auto-montagem direcionados por ligantes

Moléculas surfactantes e de capeamento adsorvem seletivamente em diferentes facetas cristalinas para direcionar o crescimento anisotrópico, e elas mediam as forças interpartículas que permitem que partículas monodispersas se auto-organizem em super-redes ordenadas por evaporação.

Mechanisms

A redução ou decomposição de um precursor acumula monômeros até que a supersaturação desencadeie uma explosão de núcleos; estes crescem pela adição de monômeros e pelo amadurecimento de Ostwald, enquanto os ligantes adsorvidos capeiam as superfícies, definem o tamanho final e direcionam o crescimento seletivo de facetas e a subsequente montagem ordenada.

Clinical relevance

A síntese controlada de nanopartículas fornece catalisadores com facetas adaptadas, partículas plasmônicas de ouro e prata para sensoriamento e imagem, partículas magnéticas para armazenamento de dados e separações, e os blocos de construção para metamateriais montados a partir de arranjos ordenados de nanopartículas.

History

O modelo de LaMer de meados do século XX de nucleação em explosão seguida por crescimento controlado forneceu a base conceitual para a produção de coloides monodispersos. Os avanços do final do século XX na química de solventes coordenantes e surfactantes, resumidos por El-Sayed e outros, tornaram o tamanho e a forma rotineiramente controláveis, e as partículas uniformes resultantes permitiram o estudo de super-redes de nanopartículas auto-organizadas.

Key figures

• Mostafa El-Sayed
• Victor LaMer
• Geoffrey Ozin

Seminal works

• elsayed2005
• ozin2009

Frequently asked questions

Por que a separação da nucleação do crescimento é importante para nanopartículas uniformes?

Se novas partículas continuarem a nuclear enquanto outras crescem, a população final abrange uma ampla gama de idades e, portanto, de tamanhos. Concentrar a nucleação em uma breve explosão, após a qual apenas o crescimento ocorre, garante que todas as partículas cresçam por quase o mesmo tempo e acabem com quase o mesmo tamanho.

O que mantém uma super-rede de nanopartículas unida?

Os arranjos ordenados de nanopartículas são mantidos juntos em grande parte pelas interações entre os ligantes orgânicos que revestem as partículas, juntamente com a atração de van der Waals entre os núcleos inorgânicos. Essas forças suaves e ajustáveis permitem que partículas monodispersas se empacotem em super-redes cristalinas, assim como os átomos se empacotam em um cristal.