Chemici van de Universiteit van Oregon die de structuur van met ligand gestabiliseerde gouden nanodeeltjes bestuderen, hebben fundamentele nieuwe inzichten verkregen over hun stabiliteit. De informatie, ze zeggen, zou kunnen helpen om een ​​gewenst, integrale eigenschap in nanodeeltjes die worden gebruikt in elektronische apparaten, waar stabiliteit belangrijk is, of om ze zo te ontwerpen dat ze gemakkelijk condenseren tot dunne films voor zaken als inkten of katalysatoren in elektronische of zonne-apparaten.

In een project—gedetailleerd in het nummer van 27 november van de Journal of Physical Chemistry C —promovendus Beverly L. Smith en James E. Hutchison, die de Lokey-Harrington leerstoel Chemie aan de UO bekleedt, analyseerde hoe de grootte van nanodeeltjes en moleculen op hun oppervlak, liganden genoemd, structurele integriteit beïnvloeden bij stijgende temperaturen.

Ze concentreerden zich op nanodeeltjes met een diameter van minder dan twee nanometer - de kleinste die tot nu toe zijn bestudeerd - om de structurele stabiliteit van deze kleine deeltjes die worden ontworpen voor gebruik in elektronica, beter te begrijpen. medicijnen en andere materialen. Of een nanodeeltje stabiel moet blijven of moet condenseren, hangt af van hoe het wordt gebruikt. Die worden gebruikt als katalysator in industriële chemische verwerking of kwantumdots voor verlichting moeten intact blijven; als ze voorlopers zijn voor coatings in zonne-apparaten of voor drukinkt, nanodeeltjes moeten onstabiel zijn, zodat ze sinteren en condenseren tot een dunne massa.

Voor hun experimenten, Smith en Hutchison produceerden gouden nanodeeltjes in vier goed gecontroleerde maten, variërend van 0,9 nanometer tot 1,5 nanometer, en geanalyseerd ligandverlies en sinteren met thermogravimetrische analyse en differentiële scanningcalorimetrie, en onderzocht de resulterende films door scanning-elektronenmicroscopie en röntgenfoto-elektronspectroscopie. Omdat de nanodeeltjes werden verwarmd met 5 graden Celsius per minuut, van kamertemperatuur tot 600 graden Celsius, de nanodeeltjes begonnen te transformeren in de buurt van 150 graden Celsius.

De onderzoekers ontdekten dat kleinere nanodeeltjes een betere structurele integriteit hebben dan grotere deeltjes die zijn getest. Met andere woorden, Hutchison zei, ze hebben minder kans om hun liganden te verliezen en aan elkaar te binden. "Als je onstabiele deeltjes hebt, dan is het eigendom dat u zoekt vluchtig, "zei hij. "Ofwel de lichtemissie verslechtert na verloop van tijd en je bent klaar, of het metaal wordt inactief en je bent klaar. In dat geval, je wilt de functie behouden en voorkomen dat de deeltjes aggregeren. "Het tegenovergestelde is gewenst voor Hutchison en anderen die werken in het door de National Science Foundation gefinancierde Centre for Sustainable Materials Chemistry, een samenwerking tussen meerdere universiteiten onder leiding van de UO en de Oregon State University. Daar synthetiseren onderzoekers nanodeeltjes als voorlopers van dunne films.

"We willen voorlopers van oplossingen die kunnen leiden tot anorganische dunne films voor gebruik in de elektronica- en zonne-industrie, " zei Hutchison, die ook lid is van het UO Materials Science Institute.

"In dit geval, we willen weten hoe we onze nanodeeltjes of andere voorlopers stabiel genoeg in oplossing kunnen houden, zodat we ermee kunnen werken, met slechts een kleine hoeveelheid extra energie om ze onstabiel te maken, zodat ze condenseren tot een film - waarbij de eigenschap die je wilt afkomstig is van de uitgebreide vaste stof die wordt gegenereerd, niet van de nanodeeltjes zelf."

Het onderzoek, Hutchison zei, identificeerde zwakke plaatsen op nanodeeltjes waar liganden zouden kunnen loskomen. Als slechts een klein bedrag dat doet, hij zei, afzonderlijke nanodeeltjes zullen eerder samenkomen en het sinterproces beginnen om dunne films te maken.

"Dat is een echt stabiliserend effect dat, beurtelings, schopt al deze liganden aan de buitenkant eruit, " zei hij. "Het oppervlak neemt snel af en de deeltjes worden groter, maar nu worden alle extra liganden uitgesloten in de film en dan, overuren, de liganden verdampen en verdwijnen."

Het uit elkaar vallen, echter, is een "catastrofale mislukking" als bescherming tegen sinteren het doel is. Het is mogelijk om de bevindingen te gebruiken, hij zei, manieren zoeken om nanodeeltjes te versterken, zoals het ontwikkelen van liganden die op ten minste twee plaatsen binden of het vermijden van vluchtige liganden.

Het proces, zoals bestudeerd, geproduceerde poreuze goudfilms. "Een volgende stap zou kunnen zijn om te bestuderen hoe het proces kan worden gemanipuleerd om een ​​dichtere film te krijgen als dat gewenst is, " zei Hutchison. Begrijpen hoe nanodeeltjes reageren op bepaalde omstandigheden, zoals veranderende temperaturen, hij voegde toe, kan onderzoekers helpen om afval in het productieproces te verminderen.

"Onderzoekers van de Universiteit van Oregon zijn de wetenschap aan het re-engineeren, productie- en bedrijfsprocessen achter kritieke producten, " zei Kimberly Andrews Espy, vice-president voor onderzoek en innovatie en decaan van de UO Graduate School. "Dit onderzoek dat de structurele stabiliteit van nanodeeltjes analyseert door Dr. Hutchison en zijn team heeft het potentieel om de engineering van elektronica te verbeteren, medicijnen en andere materialen, bijdragen aan een duurzame toekomst voor onze planeet en haar mensen."

Smit, hoofdauteur van de krant, behaalde in 2009 een master scheikunde aan de UO. Ze is nu een doctoraatsstudent in het lab van Hutchison. Tijdens de beginfase van het onderzoek, ze werd ondersteund door het Integrative Graduate Education and Research Traineeship (IGERT)-programma van de NSF. Financiering van het Air Force Research Laboratory (subsidienummer FA8650-05-1-5041) aan Hutchison ondersteunde ook het onderzoek.

Hutchison is ook lid van zowel het Oregon Nanoscience and Microtechnologies Institute (ONAMI) als Oregon BEST (Oregon Built Environment &Sustainable Technologies Center), die onderzoeksinitiatieven van de staat zijn.