Tổng hợp và Lắp ráp Hạt nano

Tổng hợp và lắp ráp hạt nano là ngành hóa học chế tạo các hạt kim loại và vô cơ có kích thước và hình dạng được kiểm soát trong dung dịch, sau đó sắp xếp chúng thành các siêu cấu trúc có trật tự.

Definition

Tổng hợp hạt nano là sự hình thành có kiểm soát các hạt có kích thước nanomet với kích thước, hình dạng và thành phần xác định, thường là trong dung dịch; lắp ráp là sự sắp xếp các hạt đó thành các mảng hai hoặc ba chiều có trật tự mà hành vi tập thể của chúng có thể khác với hành vi của các hạt riêng lẻ.

Scope

Chủ đề này bao gồm việc điều chế hạt nano theo phương pháp từ dưới lên, trong pha dung dịch: sự tạo mầm và phát triển trong hệ keo, vai trò của phối tử che phủ và chất hoạt động bề mặt trong việc kiểm soát kích thước và hình dạng, các con đường khử và phân hủy để tạo ra các hạt kim loại và oxit, và sự tách biệt giữa quá trình tạo mầm và phát triển để tạo ra các sản phẩm đơn phân tán. Nó cũng bao gồm cách các hạt nano được định hướng để lắp ráp — bằng cách làm khô, tương tác phối tử hoặc tạo khuôn — thành các siêu mạng tinh thể và màng chức năng.

Core questions

• Sự tạo mầm và phát triển kiểm soát sự phân bố kích thước hạt nano như thế nào?
• Phối tử và chất hoạt động bề mặt đóng vai trò gì trong việc kiểm soát hình dạng?
• Làm thế nào để thu được các hạt nano đơn phân tán?
• Làm thế nào có thể lắp ráp các hạt nano thành các siêu cấu trúc có trật tự?

Key concepts

• Tạo mầm và phát triển
• Phối tử che phủ và chất hoạt động bề mặt
• Tính đơn phân tán
• Kiểm soát hình dạng dị hướng
• Siêu mạng tinh thể hạt nano
• Lắp ráp định hướng bằng khuôn

Key theories

Tách biệt quá trình tạo mầm và phát triển

Các hạt nano đơn phân tán được tạo ra khi một đợt tạo mầm bùng nổ được theo sau bởi sự phát triển giới hạn khuếch tán, do đó tất cả các hạt phát triển trong cùng một khoảng thời gian; việc kiểm soát sự tách biệt này là cơ sở của các phương pháp tổng hợp keo tạo ra sự phân bố kích thước hẹp.

Kiểm soát hình dạng và tự lắp ráp định hướng bằng phối tử

Các phân tử chất hoạt động bề mặt và phối tử che phủ hấp phụ chọn lọc trên các mặt tinh thể khác nhau để điều khiển sự phát triển dị hướng, và chúng điều hòa các lực liên hạt cho phép các hạt đơn phân tán tự sắp xếp thành các siêu mạng tinh thể có trật tự khi bay hơi.

Mechanisms

Sự khử hoặc phân hủy tiền chất tạo ra monome cho đến khi quá bão hòa kích hoạt một đợt tạo mầm; những mầm này phát triển bằng cách bổ sung monome và bằng sự trưởng thành Ostwald, trong khi các phối tử hấp phụ che phủ bề mặt, xác định kích thước cuối cùng và định hướng sự phát triển chọn lọc mặt tinh thể và sự lắp ráp có trật tự sau đó.

Clinical relevance

Tổng hợp hạt nano có kiểm soát cung cấp các chất xúc tác với các mặt tinh thể được điều chỉnh, các hạt vàng và bạc plasmonic để cảm biến và hình ảnh, các hạt từ tính để lưu trữ dữ liệu và tách chiết, và các khối xây dựng cho các siêu vật liệu được lắp ráp từ các mảng hạt nano có trật tự.

History

Mô hình tạo mầm bùng nổ sau đó là sự phát triển có kiểm soát của LaMer vào giữa thế kỷ XX đã cung cấp cơ sở khái niệm để tạo ra các chất keo đơn phân tán. Những tiến bộ cuối thế kỷ XX trong hóa học dung môi phối trí và chất hoạt động bề mặt, được El-Sayed và những người khác tóm tắt, đã giúp kiểm soát kích thước và hình dạng một cách thường xuyên, và các hạt đồng nhất thu được đã cho phép nghiên cứu các siêu mạng tinh thể hạt nano tự lắp ráp.

Key figures

• Mostafa El-Sayed
• Victor LaMer
• Geoffrey Ozin

Seminal works

• elsayed2005
• ozin2009

Frequently asked questions

Tại sao việc tách biệt quá trình tạo mầm khỏi quá trình phát triển lại quan trọng đối với các hạt nano đồng nhất?

Nếu các hạt mới tiếp tục tạo mầm trong khi các hạt khác đang phát triển, quần thể cuối cùng sẽ có nhiều độ tuổi và do đó có nhiều kích thước khác nhau. Tập trung quá trình tạo mầm thành một đợt ngắn, sau đó chỉ xảy ra quá trình phát triển, đảm bảo tất cả các hạt phát triển trong gần như cùng một khoảng thời gian và cuối cùng có kích thước gần như nhau.

Điều gì giữ một siêu mạng tinh thể hạt nano lại với nhau?

Các mảng hạt nano có trật tự được giữ lại với nhau chủ yếu bởi các tương tác giữa các phối tử hữu cơ bao phủ các hạt, cùng với lực hút van der Waals giữa các lõi vô cơ. Những lực mềm, có thể điều chỉnh này cho phép các hạt đơn phân tán đóng gói thành các siêu mạng tinh thể giống như các nguyên tử đóng gói thành một tinh thể.