Superroosterfilms van nanodeeltjes die zich vormen op het grensvlak tussen vast en vloeibaar zijn belangrijk voor materialen op mesoschaal, maar zijn een uitdaging om te analyseren bij het begin van de vorming op een grensvlak tussen vast en vloeibaar. In een nieuw verslag over wetenschappelijke vooruitgang , E. Cepeda-Perez en een onderzoeksteam in materialen, natuurkunde en scheikunde in Duitsland bestudeerden de vroege stadia van de assemblage van nanodeeltjes op grensvlakken tussen vaste en vloeibare stoffen met behulp van elektronenmicroscopie in de vloeistoffase. Ze observeerden met oleylamine gestabiliseerde gouden nanodeeltjes die spontaan dunne lagen vormden op een siliciumnitridemembraanvenster van de vloeistofomhulling. In de eerste monolaag, het samenstel handhaafde dichte pakkingen van hexagonale symmetrie onafhankelijk van het niet-polaire oplosmiddeltype. De tweede laag vertoonde geometrieën variërend van dichte pakking in een hexagonale honingraatstructuur tot quasi-kristallijne deeltjesrangschikkingen - gebaseerd op de diëlektrische constante van de vloeistof. De complexe structuren gemaakt van zwakkere interacties bleven behouden, terwijl het oppervlak ondergedompeld bleef in vloeistof. Door de eigenschappen van materialen die betrokken zijn bij de vorming van superroosters van nanodeeltjes te verfijnen, Cepeda-Perez et al. bestuurde de driedimensionale (3-D) geometrie van een superrooster, inclusief quasi-kristallen (een nieuwe staat van materie).

Nanodeeltjes die dicht opeengepakt zijn in twee of drie dimensies, kunnen regelmatige reeksen van superroosters van nanodeeltjes vormen. Bijvoorbeeld, superroosters van halfgeleiderdeeltjes kunnen fungeren als "meta" halfgeleiders wanneer ze zijn gedoteerd met deeltjes om nieuwe mesoschaalmaterialen te vormen, terwijl plasmonische deeltjes in dichte superroosters kunnen koppelen om collectieve modi te vormen met hoekafhankelijke en afstembare golflengtereacties. Grote elektrische velden kunnen optreden tussen dergelijke deeltjes voor oppervlakteversterkte Raman-spectroscopie. Superroosters kunnen worden ontwikkeld bij vloeistof-vloeistof, gas-vloeistof en vast-vloeistof interfaces, waar statische en dynamische interacties tussen deeltje-substraat, deeltje-deeltje en deeltje-vloeistof interacties kunnen de structuur van superroosters dicteren. Echter, het blijft moeilijk om dergelijke structuren op voorhand te voorspellen. Bijvoorbeeld, het simuleren van de assemblage van superroosters in meerdere fasen is nog niet mogelijk, met zeer weinig in-lab real-space data beschikbaar voor modellering. Het is daarom een ​​uitdaging om experimentele inzichten te verzamelen over fundamentele mechanismen van superroostervorming.

In dit werk, Cepeda-Perez et al. direct afgebeelde superroosters van gouden nanodeeltjes (AuNP's) gesuspendeerd in verschillende niet-polaire oplosmiddelen met behulp van vloeistoffase-elektronenmicroscopie (LP-EM). De AuNP's in de eerste laag boven een oppervlak, sterk in wisselwerking met het substraat en met elkaar. Als een bovenbouw laag voor laag geassembleerd, de oppervlakte-interacties verminderden, en de patronen ondervonden zwakkere krachten tussen nanodeeltjes, gemedieerd door de eigenschappen van de omringende vloeistof. Het team bestudeerde overgangen van interacties tussen deeltjes en oppervlakten naar zwakkere interacties tussen deeltjes door patronen van een monolaag en een dubbele laag te onderzoeken, onder verschillende oplosmiddelomstandigheden. Om de oorsprong van superroosters te bestuderen, onderzochten ze een enkel type met oleylamine gecoate AuNP's geassembleerd op een met siliciumnitride (SiN) gecoat membraan. Om interacties tussen AuNP's en het substraat te begrijpen, de wetenschappers veranderden het oplosmiddel en gebruikten scanning transmissie-elektronenmicroscopie (STEM) om de hoogst mogelijke ruimtelijke resolutie te verkrijgen met de laagst mogelijke elektronenflux.

Het team onderwierp de SiN-membranen (siliciumnitride) aan een oxiderend plasma om oppervlaktepolariteit te induceren direct voordat het monster werd geladen. Vervolgens observeerden ze met behulp van vloeistoffase-elektronenmicroscopie de gouden nanodeeltjes (AuNP's) die zich op het grensvlak tussen vaste en vloeibare stoffen bevonden. Ze testten vier verschillende niet-polaire vloeistoffen met verschillende diëlektrische constanten om het bereik van interacties te variëren. Deeltjes-substraat interacties trokken de nanodeeltjes van de vloeistof naar het SiN-oppervlak om een ​​dunne film te vormen. De sterke en zwakke interacties veroorzaakten dichte pakkingen die slechts zwak werden beïnvloed door de keuze van het oplosmiddel. De totale dichtheden waren het hoogst voor de lineaire-ketenoplosmiddelen.

Bij het afbeelden van de AuNP-laag in hexadecaanoplosmiddel, het team observeerde helderdere en zwakkere plekken om de aanwezigheid van AuNP's bovenop een monolaag aan te geven - naast drie discrete niveaus van het signaal van het beeld. De waargenomen patronen bleven stabiel, zelfs nadat ze beelden van het monstergebied in een time-lapse hadden opgenomen. Ter vergelijking, cyclohexaan niet-polaire organische oplosmiddelen leidden tot een dichte, zeshoekige toplaag en het team merkte structuren op met een zeshoekige basis en rhombtrihexagonaal (gekenmerkt door één driehoek, twee parallellogrammen, en één zeshoek op elk hoekpunt) tegels. De monsters vertoonden ook plekken van quasi-kristallijne aard. Vergeleken met de eerste laag deeltjes, het team observeerde een zwakkere binding van deeltjes in de tweede laag, ze toegeschreven verminderde deeltjespakkingsdichtheid tot het verval van deeltje-substraat interactiepotentieel.

Op deze manier, E. Cepeda-Perez en collega's toonden aan dat oplosmiddelen met hoge diëlektrische constanten de pakkingsdichtheden verminderden en de vorming van quasi-kristallijne structuren mogelijk maakten. De resultaten waren consistent met de hypothese van het onderzoek naar door substraat geïnduceerde zelfassemblage en aantrekking van deeltjes-substraat. De LP-EM-gegevens verklaarden de mechanismen achter de vorming van zelf-geassembleerde superroosters van gouden nanodeeltjes op een vast-vloeibaar grensvlak. De resultaten leidden tot quasi-kristallijne deeltjesarrangementen, die afhing van de sterkte van de diëlektrische constante van de vloeistof in de opstelling. Op basis van de resultaten, de 3D-geometrie van een superrooster inclusief complexe quasi-kristallijne structuren kan worden verfijnd door de eigenschappen van de betrokken vloeistof te manipuleren, nanodeeltjes, en interfacematerialen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk