Синтез и сборка наночастиц

Синтез и сборка наночастиц — это химия получения металлических и неорганических частиц контролируемого размера и формы в растворе и их организация в упорядоченные суперструктуры.

Definition

Синтез наночастиц — это контролируемое образование нанометровых частиц определенного размера, формы и состава, обычно в растворе; сборка — это организация таких частиц в упорядоченные двух- или трехмерные массивы, коллективное поведение которых может отличаться от поведения изолированных частиц.

Scope

Эта тема охватывает восходящее, растворное получение наночастиц: зарождение и рост в коллоидных системах, роль лигандов-стабилизаторов и поверхностно-активных веществ в контроле размера и формы, пути восстановления и разложения для получения металлических и оксидных частиц, а также разделение зарождения и роста, которое приводит к монодисперсным продуктам. Она также охватывает способы направленной сборки наночастиц — путем сушки, лигандных взаимодействий или темплатирования — в сверхрешетки и функциональные пленки.

Core questions

• Как зарождение и рост контролируют распределение наночастиц по размерам?
• Какую роль играют лиганды и поверхностно-активные вещества в контроле формы?
• Как получают монодисперсные наночастицы?
• Как наночастицы могут быть собраны в упорядоченные суперструктуры?

Key concepts

• Зарождение и рост
• Лиганды-стабилизаторы и поверхностно-активные вещества
• Монодисперсность
• Контроль анизотропной формы
• Сверхрешетки наночастиц
• Темплатно-направленная сборка

Key theories

Разделение зарождения и роста

Монодисперсные наночастицы образуются, когда за всплеском зародышеобразования следует диффузионно-лимитированный рост, так что все частицы растут в течение одинакового времени; контроль этого разделения является основой коллоидных синтезов, дающих узкие распределения по размерам.

Лиганд-направленный контроль формы и самосборка

Молекулы поверхностно-активных веществ и лигандов-стабилизаторов избирательно адсорбируются на различных кристаллических гранях, чтобы направлять анизотропный рост, и они опосредуют межчастичные силы, которые позволяют монодисперсным частицам самоорганизовываться в упорядоченные сверхрешетки при испарении.

Mechanisms

Восстановление или разложение прекурсора приводит к накоплению мономера до тех пор, пока пересыщение не вызовет всплеск зародышеобразования; они растут путем присоединения мономера и путем оствальдовского созревания, в то время как адсорбированные лиганды стабилизируют поверхности, определяют конечный размер и направляют фасетно-селективный рост и последующую упорядоченную сборку.

Clinical relevance

Контролируемый синтез наночастиц обеспечивает катализаторы с заданными гранями, плазмонные золотые и серебряные частицы для сенсорики и визуализации, магнитные частицы для хранения данных и разделения, а также строительные блоки для метаматериалов, собранных из упорядоченных массивов наночастиц.

History

Модель ЛаМера середины XX века, описывающая всплеск зародышеобразования с последующим контролируемым ростом, послужила концептуальной основой для получения монодисперсных коллоидов. Достижения конца XX века в химии координирующих растворителей и поверхностно-активных веществ, обобщенные Эль-Сайедом и другими, сделали контроль размера и формы рутинным, а полученные однородные частицы позволили изучать самособирающиеся сверхрешетки наночастиц.

Key figures

• Mostafa El-Sayed
• Victor LaMer
• Geoffrey Ozin

Seminal works

• elsayed2005
• ozin2009

Frequently asked questions

Почему разделение зарождения и роста важно для получения однородных наночастиц?

Если новые частицы продолжают зарождаться, пока другие растут, конечная популяция охватывает широкий диапазон возрастов и, следовательно, размеров. Концентрация зарождения в коротком всплеске, после которого происходит только рост, гарантирует, что все частицы растут почти одинаковое время и в конечном итоге имеют почти одинаковый размер.

Что удерживает сверхрешетку наночастиц вместе?

Упорядоченные массивы наночастиц удерживаются вместе в основном за счет взаимодействий между органическими лигандами, покрывающими частицы, а также за счет ван-дер-ваальсового притяжения между неорганическими ядрами. Эти мягкие, настраиваемые силы позволяют монодисперсным частицам упаковываться в кристаллические сверхрешетки так же, как атомы упаковываются в кристалл.