Net als koolstofatomen in platen grafeen, nanodeeltjes kunnen stabiele lagen vormen met minimale diktes van de diameter van een enkel nanodeeltje. Een nieuwe methode om nanodeeltjes te koppelen aan zulke extreem dunne films is ontwikkeld aan het Instituut voor Fysische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen in Warschau.

De kleermaker knipt zijn jas volgens... zijn nanodeeltjes

De successen die tot nu toe zijn geboekt door onderzoekers die lagen van nanodeeltjes synthetiseren, zouden niet voldoende zijn om zelfs de meest bescheiden chemische modeshows te organiseren. Nanodeeltjes kunnen worden georganiseerd in laagdiktes van één deeltjes, dat wil zeggen, monolagen, maar deze structuren waren niet stabiel omdat het tot nu toe niet mogelijk was om nanodeeltjes stabiel aan elkaar te koppelen in monolagen.

"In recente jaren, onze groep aan het Instituut voor Fysische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen in Warschau heeft gewerkt aan de ontwikkeling van een universeel platform voor de synthese van stabiele monolagen van nanodeeltjes. Vandaag, we hebben bewijs dat onze 'op maat gemaakte' methode om nanodeeltjes chemisch te binden in monolagen echt werkt, " zegt Dr. Marcin Fialkowski, hoogleraar bij IPC PAS, en toont een kleine, laag, gedeponeerd op een bord, met de kleinst mogelijke dikte - gelijk aan de diameter van een enkel nanodeeltje goud.

Monolagen van chemisch gestikte gouden nanodeeltjes geproduceerd bij de IPC PAS hebben oppervlakten in de orde van vierkante millimeters, en om voor de hand liggende redenen, ze zijn erg delicaat. Mechanisch, ze lijken op acrylplaten - wanneer ze worden blootgesteld aan krachten, ze vervormen aanvankelijk elastisch, waarna ze plotseling barsten.

"Onze monolagen zijn niet groot, omdat we alleen de juistheid van het concept van hun synthese wilden aantonen. Niets staat het produceren van monolagen in de weg op de manier die wij voorstellen met gebieden met veel vierkante centimeters, " zegt prof. Fialkowski.

Op het grensvlak tussen twee niet-mengbare vloeistoffen worden al jaren nanodeeltjeslagen geproduceerd. Wanneer geïntroduceerd in een zwaardere vloeistof, bij mechanisch roeren, er stromen goed geprepareerde nanodeeltjes uit en verspreiden zich willekeurig op de grens met de lichtere vloeistof. Door de nanodeeltjes met pistons vanaf de zijkant samen te persen en daardoor te verdichten, kan orde ontstaan. Op deze manier vervaardigde monolagen waren tot nu toe niet duurzaam en wanneer ze probeerden te verwijderen van het grensvlak vielen ze eenvoudig uit elkaar. Beurtelings, structuren chemisch gebonden, in staat om scheiding van de interface te overleven, bleken altijd ofwel meerlagige ofwel amorfe composieten van nanodeeltjes te zijn.

"Onze monolagen zijn stabiel omdat we de nanodeeltjes hebben gekoppeld met speciale 'nietjes, ' of linker moleculen. Elke linker verbindt twee aangrenzende nanodeeltjes door sterke covalente bindingen, dat wil zeggen, chemisch", legt Dr. Tomasz Andryszewski (IPC PAS) uit, hoofdauteur van de publicatie in het tijdschrift Chemie van materialen .

De gouden nanodeeltjes die worden gebruikt in experimenten op de IPC PAS hebben een diameter van ongeveer vijf nanometer (miljardste van een meter); de lengte van de gebruikte linkers is slechts anderhalf. Om zo'n korte linker aangrenzende nanodeeltjes aan elkaar te laten binden, deze moeten op de juiste wijze naar elkaar toe worden verschoven.

"De grootste moeilijkheid in ons werk lag in het feit dat we twee vereisten moesten verzoenen die in principe tegengesteld waren. Door de lengte van de linker, we wisten dat de nanodeeltjes op een kleine afstand van elkaar moesten worden gebracht, wat betekent dat ze zouden moeten worden onderworpen aan relatief grote krachten. Daarom, we wilden niet dat de nanodeeltjes uit de interface zouden springen. Tegelijkertijd, we moesten op de een of andere manier voorkomen dat de nanodeeltjes aan elkaar plakten in willekeurige structuren, " zegt Dr. Andryszewski.

Om aan deze voorwaarden te voldoen, de nanodeeltjes waren bedekt met kleine, speciaal ontworpen moleculen (liganden), die aan de ene kant aminegroepen bevatten (met stikstof en waterstof), en anderzijds, thiolgroepen (met zwavel en waterstof). De thioldelen gecombineerd met het goud, terwijl de aminodelen zich aan de buitenkant van de nanodeeltjes bevonden en ze een positieve elektrische lading gaven.

"De gemodificeerde gouden nanodeeltjes fungeren als boeien met een grote verplaatsing. Ze positioneren zich zo duurzaam op de grens tussen de vloeistoffen dat zelfs sterke agitatie ze niet naar buiten kan duwen. ze stoten elkaar elektrostatisch af. Als resultaat, elk nanodeeltje krijgt gegarandeerd een 'privéruimte' om zich heen, noodzakelijk voor de handhaving van de orde, ", legt promovendus Michalina Iwan (IPC PAS) uit.

Toen de op de juiste manier bereide nanodeeltjes al in monolagen aan het grensvlak waren geperst, een verbindende stof werd in het systeem geïnjecteerd. De verknopingsreactie, doet denken aan automatisch nieten, vond plaats bij kamertemperatuur en bij normale druk, zonder dat er initiatoren of katalysatoren nodig zijn. Na de chemische anastomose, de monolaag kan worden verwijderd van het grensvlak tussen de vloeistoffen, uitgedroogd, en zelfs onderworpen aan de werking van sterke oplosmiddelen.

De fysische eigenschappen van monolagen die zijn afgeleid met behulp van op maat gemaakte chemie, kunnen worden gewijzigd door geschikte linkers te selecteren. Langer, polymere linkers zouden de vorming van monolagen met een hogere elasticiteit mogelijk maken. Met behulp van stroomgeleidende linkers, het zou op zijn beurt mogelijk zijn om monolagen te produceren met specifiek bepaalde opto-elektronische eigenschappen. Het gebruik van nog andere linkers zou kunnen resulteren in monolagen die een piëzoresistief effect vertonen, d.w.z. hun elektrische geleidbaarheid veranderen onder invloed van mechanische vervormingen. De nieuwe synthesemethode is ook belangrijk voor fundamenteel onderzoek - in de toekomst, het zal het directe onderzoek van zaken als de mechanische eigenschappen van afzonderlijke nanodeeltjes mogelijk maken.