การสังเคราะห์และการประกอบอนุภาคนาโน

การสังเคราะห์และการประกอบอนุภาคนาโนคือเคมีของการสร้างอนุภาคโลหะและอนินทรีย์ที่มีขนาดและรูปร่างที่ควบคุมได้ในสารละลาย และการจัดเรียงอนุภาคเหล่านั้นให้เป็นโครงสร้างมหภาคที่เป็นระเบียบ

Definition

การสังเคราะห์อนุภาคนาโนคือการสร้างอนุภาคขนาดนาโนเมตรที่มีขนาด รูปร่าง และองค์ประกอบที่กำหนดไว้ โดยทั่วไปจะอยู่ในสารละลาย; การประกอบคือการจัดเรียงอนุภาคดังกล่าวให้เป็นแถวสองมิติหรือสามมิติที่เป็นระเบียบ ซึ่งพฤติกรรมโดยรวมอาจแตกต่างจากอนุภาคที่แยกเดี่ยว

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการเตรียมอนุภาคนาโนแบบจากล่างขึ้นบนในเฟสสารละลาย: การก่อตัวและการเติบโตในระบบคอลลอยด์, บทบาทของลิแกนด์และสารลดแรงตึงผิวในการควบคุมขนาดและรูปร่าง, เส้นทางการรีดักชันและการสลายตัวของอนุภาคโลหะและออกไซด์, และการแยกการก่อตัวจากการเติบโตที่ให้ผลิตภัณฑ์แบบเอกพันธุ์ นอกจากนี้ยังครอบคลุมถึงวิธีการชี้นำอนุภาคนาโนให้ประกอบกัน — โดยการทำให้แห้ง, ปฏิกิริยาระหว่างลิแกนด์, หรือการใช้แม่แบบ — ให้เป็นโครงสร้างซุปเปอร์แลตทิซและฟิล์มที่มีฟังก์ชันการทำงาน

Core questions

• การก่อตัวและการเติบโตควบคุมการกระจายขนาดของอนุภาคนาโนได้อย่างไร?
• ลิแกนด์และสารลดแรงตึงผิวมีบทบาทอย่างไรในการควบคุมรูปร่าง?
• อนุภาคนาโนแบบเอกพันธุ์ได้มาอย่างไร?
• อนุภาคนาโนสามารถประกอบกันเป็นโครงสร้างมหภาคที่เป็นระเบียบได้อย่างไร?

Key concepts

• การก่อตัวและการเติบโต
• ลิแกนด์และสารลดแรงตึงผิว
• ความเป็นเอกพันธุ์
• การควบคุมรูปร่างแบบไม่สมมาตร
• โครงสร้างซุปเปอร์แลตทิซของอนุภาคนาโน
• การประกอบโดยใช้แม่แบบ

Key theories

การแยกการก่อตัวและการเติบโต

อนุภาคนาโนแบบเอกพันธุ์เกิดขึ้นเมื่อการก่อตัวของนิวเคลียสแบบฉับพลันตามด้วยการเติบโตที่จำกัดการแพร่ ดังนั้นอนุภาคทั้งหมดจึงเติบโตเป็นระยะเวลาเท่ากัน; การควบคุมการแยกนี้เป็นพื้นฐานของการสังเคราะห์คอลลอยด์ที่ให้การกระจายขนาดที่แคบ

การควบคุมรูปร่างและการประกอบตัวเองโดยลิแกนด์

โมเลกุลของสารลดแรงตึงผิวและลิแกนด์จะดูดซับเลือกเฉพาะบนด้านผลึกที่แตกต่างกันเพื่อชี้นำการเติบโตแบบไม่สมมาตร และพวกมันจะทำหน้าที่เป็นตัวกลางของแรงระหว่างอนุภาคที่ทำให้อนุภาคเอกพันธุ์สามารถจัดเรียงตัวเองเป็นโครงสร้างซุปเปอร์แลตทิซที่เป็นระเบียบเมื่อระเหย

Mechanisms

การรีดักชันหรือการสลายตัวของสารตั้งต้นจะสร้างโมโนเมอร์ขึ้นจนกระทั่งภาวะอิ่มตัวยิ่งยวดกระตุ้นให้เกิดนิวเคลียสจำนวนมาก; นิวเคลียสเหล่านี้จะเติบโตโดยการเพิ่มโมโนเมอร์และการสุกตัวแบบออสวาลด์ ในขณะที่ลิแกนด์ที่ดูดซับจะปิดผิว, กำหนดขนาดสุดท้าย, และชี้นำการเติบโตที่เลือกเฉพาะด้านและตามด้วยการประกอบที่เป็นระเบียบ

Clinical relevance

การสังเคราะห์อนุภาคนาโนที่ควบคุมได้ช่วยให้ได้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีด้านที่ปรับแต่งได้, อนุภาคทองคำและเงินพลาสโมนิกสำหรับการตรวจจับและการสร้างภาพ, อนุภาคแม่เหล็กสำหรับการจัดเก็บข้อมูลและการแยกสาร, และหน่วยการสร้างสำหรับวัสดุเมตาที่ประกอบขึ้นจากอาร์เรย์อนุภาคนาโนที่เป็นระเบียบ

History

แบบจำลองของ LaMer ในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 เกี่ยวกับการก่อตัวของนิวเคลียสแบบฉับพลันตามด้วยการเติบโตที่ควบคุมได้ ได้ให้พื้นฐานแนวคิดสำหรับการสร้างคอลลอยด์แบบเอกพันธุ์ ความก้าวหน้าในช่วงปลายศตวรรษที่ 20 ในเคมีของตัวทำละลายประสานงานและสารลดแรงตึงผิว ซึ่งสรุปโดย El-Sayed และคณะ ทำให้ขนาดและรูปร่างสามารถควบคุมได้เป็นประจำ และอนุภาคที่สม่ำเสมอที่ได้มานั้นช่วยให้สามารถศึกษาโครงสร้างซุปเปอร์แลตทิซของอนุภาคนาโนที่ประกอบตัวเองได้

Key figures

• Mostafa El-Sayed
• Victor LaMer
• Geoffrey Ozin

Seminal works

• elsayed2005
• ozin2009

Frequently asked questions

เหตุใดการแยกการก่อตัวจากการเติบโตจึงมีความสำคัญต่ออนุภาคนาโนที่สม่ำเสมอ?

หากอนุภาคใหม่ยังคงก่อตัวในขณะที่อนุภาคอื่นเติบโต ประชากรสุดท้ายจะมีความหลากหลายของอายุและขนาดที่กว้าง การรวมการก่อตัวของนิวเคลียสให้อยู่ในช่วงเวลาสั้นๆ หลังจากนั้นจะเกิดการเติบโตเท่านั้น จะช่วยให้มั่นใจได้ว่าอนุภาคทั้งหมดจะเติบโตเป็นระยะเวลาเกือบเท่ากันและมีขนาดใกล้เคียงกันในที่สุด

อะไรที่ยึดโครงสร้างซุปเปอร์แลตทิซของอนุภาคนาโนไว้ด้วยกัน?

อาร์เรย์อนุภาคนาโนที่เป็นระเบียบจะยึดติดกันส่วนใหญ่โดยปฏิกิริยาระหว่างลิแกนด์อินทรีย์ที่เคลือบอนุภาค ร่วมกับแรงดึงดูดแบบแวนเดอร์วาลส์ระหว่างแกนอนินทรีย์ แรงที่อ่อนนุ่มและปรับแต่งได้เหล่านี้ทำให้อนุภาคเอกพันธุ์สามารถจัดเรียงตัวเป็นโครงสร้างซุปเปอร์แลตทิซแบบผลึกได้เช่นเดียวกับการจัดเรียงตัวของอะตอมในผลึก