Nanoparçacık Sentezi ve Birleşimi
Nanoparçacık sentezi ve birleşimi, metal ve inorganik parçacıkların çözeltide kontrollü boyut ve şekilde üretilmesi ile bunların düzenli süper yapılar halinde organize edilmesi kimyasıdır.
Tanım
Nanoparçacık sentezi, genellikle çözelti içinde, tanımlanmış boyut, şekil ve bileşime sahip nanometre ölçekli parçacıkların kontrollü oluşumudur; birleşim ise bu tür parçacıkların, kolektif davranışları izole edilmiş parçacıklarınkinden farklı olabilen, düzenli iki veya üç boyutlu diziler halinde organize edilmesidir.
Kapsam
Bu konu, nanoparçacıkların aşağıdan yukarıya (bottom-up), çözelti fazında hazırlanmasını kapsamaktadır: koloidal sistemlerde çekirdeklenme (nucleation) ve büyüme, boyut ve şekil kontrolünde kapaklama ligandlarının (capping ligands) ve yüzey aktif maddelerin rolü, metal ve oksit parçacıklarına yönelik indirgeme ve ayrışma yolları ile monodispers ürünler veren çekirdeklenmenin büyümeden ayrılması. Ayrıca, nanoparçacıkların kurutma, ligand etkileşimleri veya şablonlama (templating) yoluyla süper kafesler (superlattices) ve fonksiyonel filmler halinde nasıl birleşmeye yönlendirildiğini de içermektedir.
Temel sorular
- Çekirdeklenme ve büyüme, nanoparçacık boyut dağılımını nasıl kontrol etmektedir?
- Ligandlar ve yüzey aktif maddeler, şekil kontrolünde hangi rolü oynamaktadır?
- Monodispers nanoparçacıklar nasıl elde edilmektedir?
- Nanoparçacıklar düzenli süper yapılar halinde nasıl birleştirilebilmektedir?
Anahtar kavramlar
- Çekirdeklenme ve büyüme
- Kapaklama ligandları ve yüzey aktif maddeler
- Monodispersite
- Anizotropik şekil kontrolü
- Nanoparçacık süper kafesleri
- Şablon yönlendirmeli birleşim
Temel kuramlar
- Çekirdeklenme ve büyümenin ayrılması
- Monodispers nanoparçacıklar, bir çekirdeklenme patlamasının ardından difüzyon sınırlı büyümenin gelmesiyle oluşur, böylece tüm parçacıklar aynı süre boyunca büyür; bu ayrımın kontrolü, dar boyut dağılımları veren koloidal sentezlerin temelini oluşturmaktadır.
- Ligand yönlendirmeli şekil kontrolü ve kendi kendine birleşim
- Yüzey aktif madde ve kapaklama molekülleri, anizotropik büyümeyi yönlendirmek için farklı kristal yüzeylerine seçici olarak adsorbe olur ve monodispers parçacıkların buharlaşma üzerine düzenli süper kafesler halinde kendi kendine organize olmasını sağlayan parçacıklar arası kuvvetlere aracılık ederler.
Mekanizmalar
Bir öncülün indirgenmesi veya ayrışması, aşırı doygunluk (supersaturation) bir çekirdek patlamasını (burst of nuclei) tetikleyene kadar monomer birikimi sağlar; bunlar monomer eklenmesi ve Ostwald olgunlaşması (Ostwald ripening) ile büyürken, adsorbe edilmiş ligandlar yüzeyleri kaplar, nihai boyutu belirler ve yüzey seçici büyümeyi (facet-selective growth) ve ardından düzenli birleşimi yönlendirir.
Klinik önem
Kontrollü nanoparçacık sentezi, özel olarak tasarlanmış yüzeylere sahip katalizörler, algılama ve görüntüleme için plazmonik altın ve gümüş parçacıklar, veri depolama ve ayırmalar için manyetik parçacıklar ve düzenli nanoparçacık dizilerinden birleştirilen metamateryaller için yapı taşları sağlamaktadır.
Tarihçe
LaMer'in yirminci yüzyıl ortalarındaki patlamalı çekirdeklenme (burst nucleation) ve ardından kontrollü büyüme modeli, monodispers kolloidlerin üretimi için kavramsal temeli sağlamıştır. El-Sayed ve diğerleri tarafından özetlenen yirminci yüzyıl sonlarındaki koordinasyon-çözücü (coordinating-solvent) ve yüzey aktif madde kimyasındaki gelişmeler, boyut ve şeklin rutin olarak kontrol edilebilir olmasını sağlamış ve ortaya çıkan tekdüze parçacıklar, kendi kendine birleşen nanoparçacık süper kafeslerinin (self-assembled nanoparticle superlattices) incelenmesine olanak tanımıştır.
Öne çıkan isimler
- Mostafa El-Sayed
- Victor LaMer
- Geoffrey Ozin
İlgili konular
Temel eserler
- elsayed2005
- ozin2009
Sıkça sorulan sorular
- Tekdüze nanoparçacıklar için çekirdeklenmeyi büyümeden ayırmak neden önemlidir?
- Yeni parçacıklar diğerleri büyürken çekirdeklenmeye devam ederse, nihai popülasyon geniş bir yaş ve dolayısıyla boyut aralığını kapsar. Çekirdeklenmeyi kısa bir patlama halinde yoğunlaştırmak ve ardından sadece büyümenin gerçekleşmesini sağlamak, tüm parçacıkların neredeyse aynı süre boyunca büyümesini ve neredeyse aynı boyutta olmasını garanti eder.
- Bir nanoparçacık süper kafesini bir arada tutan nedir?
- Düzenli nanoparçacık dizileri, büyük ölçüde parçacıkları kaplayan organik ligandlar arasındaki etkileşimler ve inorganik çekirdekler arasındaki van der Waals çekimi ile bir arada tutulmaktadır. Bu yumuşak, ayarlanabilir kuvvetler, monodispers parçacıkların, atomların bir kristalde paketlenmesine benzer şekilde, kristal süper kafesler halinde paketlenmesini sağlamaktadır.