Hóa học vật liệu nano
Hóa học vật liệu nano nghiên cứu sự tổng hợp, cấu trúc và các tính chất phụ thuộc kích thước của vật liệu có ít nhất một chiều nằm trong thang nanomet, nơi sự giam giữ lượng tử và tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích rất cao tạo ra hành vi khác biệt so với vật liệu khối.
Definition
Hóa học vật liệu nano là nghiên cứu về cách kích thước, hình dạng và hóa học bề mặt của vật liệu nano được kiểm soát bằng tổng hợp và cách chúng tạo ra các tính chất – quang học, điện tử và xúc tác – khác biệt so với vật liệu rắn khối tương ứng.
Scope
Lĩnh vực này bao gồm các nguyên tắc hóa học của vật chất ở cấp độ nano: các chấm lượng tử và tinh thể nano không chiều có tính chất quang học phụ thuộc vào kích thước; các tấm hai chiều như graphene và dichalcogenide kim loại chuyển tiếp; sự tổng hợp các hạt nano dạng keo và pha dung dịch và sự lắp ráp chúng thành các siêu cấu trúc có trật tự; và các phương pháp hóa học mềm, sol-gel và khuôn mẫu được sử dụng để xây dựng các chất rắn có cấu trúc nano. Xuyên suốt, nó liên kết kích thước và hình dạng với chức năng điện tử, quang học và xúc tác.
Sub-topics
Core questions
- Tại sao các tính chất vật liệu thay đổi khi một chất rắn được giảm xuống kích thước nanomet?
- Các tinh thể nano, tấm nano và hạt nano được tổng hợp với kích thước và hình dạng được kiểm soát như thế nào?
- Sự chiếm ưu thế của các nguyên tử bề mặt làm thay đổi hóa học ở cấp độ nano như thế nào?
- Các khối xây dựng nano có thể được lắp ráp thành các kiến trúc chức năng như thế nào?
Key concepts
- Giam giữ lượng tử
- Tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích
- Tổng hợp tinh thể nano dạng keo
- Kiểm soát hình dạng và mặt tinh thể
- Tự lắp ráp cấu trúc nano
- Chất phối tử bề mặt và chất bao phủ
Key theories
- Giam giữ lượng tử trong tinh thể nano
- Khi một tinh thể bán dẫn có kích thước tương đương với exciton, các mức năng lượng điện tử trở nên rời rạc và độ rộng vùng cấm hiệu dụng tăng lên khi kích thước giảm, do đó sự hấp thụ và phát xạ quang học có thể được điều chỉnh đơn giản bằng cách thay đổi kích thước hạt.
- Kiểm soát hình dạng và bề mặt của tinh thể nano
- Các tính chất của tinh thể nano không chỉ phụ thuộc vào kích thước mà còn vào hình dạng và các mặt tinh thể lộ ra, được kiểm soát động học trong quá trình tổng hợp keo thông qua các chất hoạt động bề mặt và điều kiện tăng trưởng, và chi phối hành vi xúc tác và plasmonic.
Clinical relevance
Hóa học vật liệu nano là nền tảng cho nhiều công nghệ: các chấm lượng tử có thể điều chỉnh kích thước được sử dụng trong màn hình và hình ảnh sinh học, các hạt nano có diện tích bề mặt lớn đóng vai trò là chất xúc tác và điện cực, và các vật liệu hai chiều đang được khám phá cho điện tử, cảm biến và màng lọc.
History
Sự công nhận vào những năm 1980 và 1990 rằng các tinh thể nano bán dẫn thể hiện các tính chất quang học phụ thuộc kích thước, được hệ thống hóa trong bài đánh giá năm 1996 của Alivisatos, đã thiết lập sự giam giữ lượng tử như một hiện tượng có thể kiểm soát bằng hóa học. Những tiến bộ trong tổng hợp keo sau đó đã cho phép kiểm soát chính xác kích thước và hình dạng, và việc phân lập graphene vào năm 2004 đã mở ra hóa học của vật liệu hai chiều, mở rộng lĩnh vực này thành ngành hóa học nano.
Key figures
- A. Paul Alivisatos
- Mostafa El-Sayed
- Geoffrey Ozin
Related topics
Seminal works
- alivisatos1996
- elsayed2005
- ozin2009
Frequently asked questions
- Tại sao một hạt nano lại có hành vi khác với cùng một vật liệu ở dạng khối?
- Hai hiệu ứng chiếm ưu thế ở cấp độ nano: một phần lớn các nguyên tử nằm ở bề mặt, làm thay đổi khả năng phản ứng và năng lượng, và đối với các chất bán dẫn đủ nhỏ, các electron bị giam giữ lượng tử, điều này làm rời rạc các mức năng lượng và làm dịch chuyển các tính chất quang học và điện tử so với vật liệu khối.
- Làm thế nào để điều chỉnh màu sắc của chấm lượng tử?
- Do sự giam giữ lượng tử, độ rộng vùng cấm hiệu dụng của tinh thể nano bán dẫn tăng lên khi kích thước của nó giảm. Việc tạo ra các chấm nhỏ hơn làm dịch chuyển sự hấp thụ và phát xạ sang năng lượng cao hơn (xanh hơn), do đó màu sắc có thể được chọn đơn giản bằng cách kiểm soát kích thước hạt trong quá trình tổng hợp.