เคมีของวัสดุนาโน
เคมีของวัสดุนาโนเป็นการศึกษาการสังเคราะห์ โครงสร้าง และคุณสมบัติที่ขึ้นกับขนาดของวัสดุที่มีมิติอย่างน้อยหนึ่งมิติอยู่ในช่วงนาโนเมตร ซึ่งการกักกันเชิงควอนตัมและอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรที่สูงมากทำให้เกิดพฤติกรรมที่แตกต่างจากวัสดุขนาดใหญ่
Definition
เคมีของวัสดุนาโนคือการศึกษาว่าขนาด รูปร่าง และเคมีพื้นผิวของวัสดุระดับนาโนถูกควบคุมโดยการสังเคราะห์อย่างไร และสิ่งเหล่านี้ทำให้เกิดคุณสมบัติ — ทางแสง, อิเล็กทรอนิกส์, และตัวเร่งปฏิกิริยา — ที่แตกต่างจากของแข็งขนาดใหญ่ที่สอดคล้องกันได้อย่างไร
Scope
สาขานี้ครอบคลุมหลักการทางเคมีของสสารในระดับนาโน: จุดควอนตัมและผลึกนาโนแบบศูนย์มิติซึ่งคุณสมบัติทางแสงขึ้นอยู่กับขนาด; แผ่นสองมิติ เช่น กราฟีนและทรานซิชันเมทัลไดแคลโคเจนิก; การสังเคราะห์อนุภาคนาโนในสารละลายคอลลอยด์และการรวมตัวกันเป็นโครงสร้างซุปเปอร์สตรักเจอร์ที่เป็นระเบียบ; และวิธีการทางเคมีแบบอ่อน, โซล-เจล, และแม่แบบที่ใช้ในการสร้างของแข็งที่มีโครงสร้างนาโน ตลอดจนเชื่อมโยงขนาดและรูปร่างเข้ากับฟังก์ชันทางอิเล็กทรอนิกส์, แสง, และตัวเร่งปฏิกิริยา
Sub-topics
Core questions
- เหตุใดคุณสมบัติของวัสดุจึงเปลี่ยนแปลงไปเมื่อของแข็งถูกลดขนาดลงเหลือมิติระดับนาโนเมตร?
- ผลึกนาโน, แผ่นนาโน, และอนุภาคนาโนถูกสังเคราะห์ให้มีขนาดและรูปร่างที่ควบคุมได้อย่างไร?
- การที่อะตอมบนพื้นผิวมีบทบาทเด่นกว่าส่งผลต่อเคมีในระดับนาโนอย่างไร?
- หน่วยโครงสร้างระดับนาโนสามารถประกอบรวมกันเป็นสถาปัตยกรรมที่มีฟังก์ชันการทำงานได้อย่างไร?
Key concepts
- การกักกันเชิงควอนตัม
- อัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตร
- การสังเคราะห์ผลึกนาโนแบบคอลลอยด์
- การควบคุมรูปร่างและระนาบผลึก
- การประกอบตัวเองของโครงสร้างนาโน
- ลิแกนด์บนพื้นผิวและสารปิดกั้น
Key theories
- การกักกันเชิงควอนตัมในผลึกนาโน
- เมื่อผลึกสารกึ่งตัวนำมีขนาดใกล้เคียงกับเอ็กซิตอน ระดับพลังงานอิเล็กตรอนจะกลายเป็นแบบไม่ต่อเนื่อง และช่องว่างแถบพลังงานที่มีประสิทธิภาพจะกว้างขึ้นเมื่อขนาดลดลง ดังนั้นการดูดกลืนและการปล่อยแสงสามารถปรับได้เพียงแค่เปลี่ยนขนาดอนุภาค
- การควบคุมรูปร่างและพื้นผิวของผลึกนาโน
- คุณสมบัติของผลึกนาโนไม่เพียงขึ้นอยู่กับขนาดเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับรูปร่างและระนาบผลึกที่เปิดเผย ซึ่งถูกควบคุมทางจลนพลศาสตร์ระหว่างการสังเคราะห์แบบคอลลอยด์ผ่านสารลดแรงตึงผิวและสภาวะการเติบโต และสิ่งเหล่านี้ควบคุมพฤติกรรมตัวเร่งปฏิกิริยาและพลาสโมนิก
Clinical relevance
เคมีของวัสดุนาโนเป็นพื้นฐานของเทคโนโลยีหลากหลายประเภท: จุดควอนตัมที่ปรับขนาดได้ถูกใช้ในการแสดงผลและการถ่ายภาพทางชีวภาพ, อนุภาคนาโนที่มีพื้นที่ผิวสูงทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาและอิเล็กโทรด, และวัสดุสองมิติถูกสำรวจเพื่อใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์, เซ็นเซอร์, และเมมเบรน
History
การตระหนักรู้ในช่วงทศวรรษ 1980 และ 1990 ว่าผลึกนาโนของสารกึ่งตัวนำแสดงคุณสมบัติทางแสงที่ขึ้นกับขนาด ซึ่งถูกจัดระบบในบทความทบทวนของ Alivisatos ในปี 1996 ได้สร้างการกักกันเชิงควอนตัมให้เป็นปรากฏการณ์ที่ควบคุมได้ทางเคมี ความก้าวหน้าในการสังเคราะห์แบบคอลลอยด์ทำให้สามารถควบคุมขนาดและรูปร่างได้อย่างแม่นยำ และการแยกกราฟีนในปี 2004 ได้เปิดโลกเคมีของวัสดุสองมิติ ขยายสาขาวิชานี้ไปสู่สาขาวิชานาโนเคมี
Key figures
- A. Paul Alivisatos
- Mostafa El-Sayed
- Geoffrey Ozin
Related topics
Seminal works
- alivisatos1996
- elsayed2005
- ozin2009
Frequently asked questions
- เหตุใดอนุภาคนาโนจึงมีพฤติกรรมแตกต่างจากวัสดุชนิดเดียวกันในขนาดใหญ่?
- มีสองผลกระทบที่โดดเด่นในระดับนาโน: อะตอมจำนวนมากอยู่บนพื้นผิว ซึ่งเปลี่ยนปฏิกิริยาและพลังงาน และสำหรับสารกึ่งตัวนำที่มีขนาดเล็กพอ อิเล็กตรอนจะถูกกักกันเชิงควอนตัม ซึ่งทำให้ระดับพลังงานไม่ต่อเนื่องและเปลี่ยนคุณสมบัติทางแสงและอิเล็กทรอนิกส์เมื่อเทียบกับวัสดุขนาดใหญ่
- สามารถปรับสีของจุดควอนตัมได้อย่างไร?
- เนื่องจากการกักกันเชิงควอนตัม ช่องว่างแถบพลังงานที่มีประสิทธิภาพของผลึกนาโนสารกึ่งตัวนำจะเพิ่มขึ้นเมื่อขนาดลดลง การสร้างจุดที่มีขนาดเล็กลงจะเลื่อนการดูดกลืนและการปล่อยแสงไปยังพลังงานที่สูงขึ้น (สีน้ำเงินมากขึ้น) ดังนั้นจึงสามารถเลือกสีได้ง่ายๆ โดยการควบคุมขนาดอนุภาคระหว่างการสังเคราะห์