Химия наноматериалов

Химия наноматериалов изучает синтез, структуру и зависящие от размера свойства материалов, имеющих хотя бы одно измерение в нанометровом диапазоне, где квантовое ограничение и очень высокое отношение площади поверхности к объему обусловливают поведение, отличное от объемного материала.

Definition

Химия наноматериалов — это исследование того, как размер, форма и химия поверхности наномасштабных материалов контролируются синтезом и как они обусловливают свойства — оптические, электронные и каталитические, — которые отличаются от свойств соответствующего объемного твердого тела.

Scope

Эта область охватывает химические принципы материи в наномасштабе: нульмерные квантовые точки и нанокристаллы, оптические свойства которых зависят от размера; двумерные листы, такие как графен и дихалькогениды переходных металлов; коллоидный и растворный синтез наночастиц и их сборку в упорядоченные сверхструктуры; а также мягкохимические, золь-гель и шаблонные методы, используемые для создания наноструктурированных твердых тел. На протяжении всего исследования она связывает размер и форму с электронной, оптической и каталитической функциями.

Sub-topics

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

Core questions

• Почему свойства материалов изменяются, когда твердое тело уменьшается до нанометровых размеров?
• Как синтезируются нанокристаллы, нанолисты и наночастицы с контролируемым размером и формой?
• Как доминирование поверхностных атомов изменяет химию в наномасштабе?
• Как наномасштабные строительные блоки могут быть собраны в функциональные архитектуры?

Key concepts

• Квантовое ограничение
• Отношение площади поверхности к объему
• Коллоидный синтез нанокристаллов
• Контроль формы и граней
• Самоорганизация наноструктур
• Поверхностные лиганды и кэпирующие агенты

Key theories

Квантовое ограничение в нанокристаллах

Когда размер полупроводникового кристалла становится сопоставимым с экситоном, электронные уровни становятся дискретными, и эффективная ширина запрещенной зоны увеличивается по мере уменьшения размера, поэтому оптическое поглощение и излучение можно настраивать, просто изменяя размер частицы.

Контроль формы и поверхности нанокристаллов

Свойства нанокристаллов зависят не только от размера, но и от формы и открытых кристаллических граней, которые кинетически контролируются во время коллоидного синтеза с помощью поверхностно-активных веществ и условий роста, и которые определяют каталитическое и плазмонное поведение.

Clinical relevance

Химия наноматериалов лежит в основе широкого спектра технологий: квантовые точки с настраиваемым размером используются в дисплеях и биовизуализации, наночастицы с большой площадью поверхности служат катализаторами и электродами, а двумерные материалы исследуются для электроники, датчиков и мембран.

History

Признание в 1980-х и 1990-х годах того, что полупроводниковые нанокристаллы демонстрируют зависящие от размера оптические свойства, кодифицированное в обзоре Аливисатоса 1996 года, установило квантовое ограничение как химически контролируемое явление. Достижения в коллоидном синтезе затем позволили точно контролировать размер и форму, а выделение графена в 2004 году открыло химию двумерных материалов, расширив область в дисциплину нанохимии.

Key figures

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

Seminal works

• alivisatos1996
• elsayed2005
• ozin2009

Frequently asked questions

Почему наночастица ведет себя иначе, чем тот же материал в объемном состоянии?

В наномасштабе доминируют два эффекта: большая часть атомов находится на поверхности, изменяя реакционную способность и энергетику, а для достаточно малых полупроводников электроны квантово ограничены, что дискретизирует энергетические уровни и сдвигает оптические и электронные свойства относительно объемного материала.

Как можно настроить цвет квантовых точек?

Из-за квантового ограничения эффективная ширина запрещенной зоны полупроводникового нанокристалла увеличивается по мере уменьшения его размера. Создание меньших точек сдвигает поглощение и излучение к более высокой энергии (синий), поэтому цвет можно выбрать, просто контролируя размер частиц во время синтеза.