تقنية لFunctionalize وتجميع الذاتي عياني الجسيمات النانوية يجند أحادي الطبقة أفلام على ركائز خالية من قالب

الهدف العام من هذا الإجراء هو تطوير أغشية أحادية الطبقة من الجسيمات النانوية والروابط المجهرية. ويتم تحقيق ذلك باستخدام تقنية التجميع الذاتي في وعاء واحد. أولاً، يتم توظيف الجسيمات النانوية المعدنية بسرعة باستخدام الروابط في مذيب من الماء أو THF.

بعد ذلك، تنفصل الجسيمات النانوية المحاطة بالربيطات طورياً عند الواجهة الفاصلة بين الهواء والمذيب. وفي النهاية، تُنقل الجسيمات النانوية إلى ركائز خالية من القوالب باستخدام تدرجات التوتر السطحي، حيث تتجمع ذاتياً لتكون أغشية أحادية الطبقة من الربيطات والجسيمات النانوية العيانية. وفي الختام، توفر هذه الإجراءات تقنية بسيطة وقوية وقابلة للتوسع لوظفنة وتجميع أغشية أحادية الطبقة من الربيطات والجسيمات النانوية العيانية ذاتياً على ركائز خالية من القوالب.

تتمثل الميزة الرئيسية لهذه التقنية مقارنة بطرق التجميع البيني الأخرى في الوظيفية السريعة والفعالة للجسيمات النانوية وتجميعها ذاتياً في أغشية أحادية الطبقة عيانية. ورغم أن هذه الطريقة يمكن أن توفر رؤية معمقة للواجهة العضوية غير العضوية على المستوى النانوي، إلا أنه يمكن تطبيقها أيضاً في مجموعة واسعة من التطبيقات مثل المواد الميتا-مادية، والخلايا الكهروضوئية، والمستشعرات الجزيئية. للبدء، قم بتركيز الكرات النانوية الذهبية ذات قطر 15 nanometer المتوفرة تجارياً عن طريق وضع 15 milliliters من المعلق المائي المخفف للكرات النانوية في مرشح طرد مركزي فائق.

بعد ذلك، قم بطرد الوحدة مركزياً عند 4,500 Gs لمدة دقيقتين أو حتى يتبقى بضع ميكرولترات فقط في غرفة الترشيح. أعد تعليق الكرات النانوية في 1.5 milliliters من الماء منزوع الأيونات أو DI water، أو بحيث يكون تركيز الجسيمات النانوية حوالي 10¹³ جسيم لكل milliliter. ويظل المعلق مستقراً لعدة ساعات.

بمجرد إعادة التعليق في الماء منزوع الأيونات (di water)، وللتحقق من الكثافة العددية والتأكد من عدم تكتل الجسيمات النانوية، يتم أولاً سحب 150 µL من المعلق باستخدام الماصة ووضعه في كيوفيت. كما يتم تخفيف معلق الجسيمات النانوية المركز بإضافة 1.35 mL من الماء منزوع الأيونات (di water). بعد ذلك، يوضع الكيوفيت في مطياف الأشعة فوق البنفسجية والمرئية (ultraviolet visible spectrometer) وقياس طيف الامتصاص للمعلق المحضر وكذلك للمعلق الأصلي.

قارن موضع الذروة وعرض الذروة عند نصف القيمة القصوى (full width at half maximum) للتأكد من عدم حدوث تجمع. يجب أن تكون قيمة ذرى الامتصاص لكلتا العينتين متماثلة تقريبًا. وبذلك يتم التأكد من أن العينة المركزة أكثر كثافة بمعامل 10 في وعاء زجاجي من البوروسيليكات سعة 20 milliliter نظيف ومنفصل يحتوي على 1 milliliter من tetra hydro furin.

بعد ذلك، أضف ربيطات الثيول ألكان إلى THF ورج المزيج. يجب خلط المحلول بشكل متجانس وكافٍ. ينبغي إضافة الربيطة بحيث تغطي على الأقل كامل مساحة سطح الجسيمات النانوية المعلقة.

تزيد كمية الليجاند الزائدة من سرعة ونقص التفاعل داخل خزانة استرداد الغازات. ضع 1 mL من القارورة التي تحتوي على الكرات الذهبية النانوية في قارورة ليجاندات THF. أغلق الغطاء بسرعة وارج القارورة بقوة لمدة 15 ثانية.

قم بإزالة الغطاء ووضع القارورة جانباً. في خزانة استرداد الأبخرة، وتبعاً لنوع الرابطات المستخدمة، تتشكل نطاقات من الجسيمات النانوية الذهبية بسرعة عند السطح الفاصل بين الهواء والسائل. ثم تبدأ الرقائق في الانتقال صعوداً على جانب القارورة.

تم تغليف جميع الجسيمات النانوية تقريبًا بربيطات الثيول، وأُزيلت من المعلق ونُقلت إلى جدران القوارير في غضون ساعة واحدة. لنقل الأغشية إلى ركائز زجاجية قابلة للإزالة، يتم قطع الركائز إلى مساحة 12.5 × 25.4 مليمتر باستخدام قلم تحديد أو عجلة قطع للزجاج، ثم تُنظف الركائز باستخدام شطف بالأسيتون، يليه شطف بكحول الإيزوبروبيل، وأخيرًا شطف بماء مقطر (di water).

قبل ترك الركائز لتجف، راجع البروتوكول النصي الخاص بتحضير رقاقات السيليكون. بعد ذلك، أدخل الركيزة في القارورة التي تم تحضيرها مسبقاً والتي تحتوي على الكرات النانوية والروابط. أحكم إغلاق الغطاء ثم قم بالرج.

بعد الرج، قم بإزالة الغطاء باستخدام الملاقط. ضع الركيزة في وضع شبه عمودي مقابل جدار القارورة. ثم استخدم الماصة لتغطية الركيزة بمزيج التفاعل.

يتوقف التفاعل عندما يتبخر المذيب العضوي بالكامل أو عند إزالة جميع الجسيمات النانوية من المعلق. قم بتقدير كفاءة التعبئة للكرات النانوية في الطبقة الأحادية عن طريق ملاحظة خصائص النفاذية والانعكاس للغشاء. قم بإضاءة الطبقة الأحادية على الركائز الزجاجية من الخلف باستخدام مصدر ضوء أبيض.

يجب ملاحظة غشاء ملون منتظم بالنسبة لأغشية الطبقة الواحدة من الجسيمات النانوية عالية الكثافة في وضع النفاذ، وملاحظة انعكاس يشبه لون الذهب في وضع الانعكاس. بعد ذلك، استخدم مطيافاً لتحديد طيف الامتصاص العياني من الطبقات الواحدة. وكما سبق، قم بتطبيع طيف الامتصاص باستخدام شريحة زجاجية نظيفة.

بعد ذلك، قم بتثبيت الغشاء أحادي الطبقة على ركيزة زجاجية في مسار شعاع المطياف وجمع طيف الامتصاص. يجب أن يظهر انزياح أحمر ملحوظ في ذروة الامتصاص بمقدار عدة مئات من النانومترات اعتماداً على اللجين المستخدم. إذا كانت ذروة الامتصاص عريضة جداً أو غير محددة بوضوح، فمن المرجح أن تكون الأغشية أحادية الطبقة ذات جودة رديئة.

لاستخدام هذه التقنية كوسيلة فعالة لتوظيف الجسيمات النانوية بربيطات الثيول. قم بسكب المتبقي من قاع القارورة. وبعد اكتمال التفاعل، جفف المادة الموجودة في القارورة تحت تدفق من النيتروجين.

أضف مذيباً عضوياً لإعادة تعليق الجسيمات النانوية مع تحقيق نقل واستعادة للطور الجسيمي بنسبة تقارب 100%؛ وتأكد من عدم تكتل الجسيمات النانوية عند إعادة تعليقها في المذيب العضيمي كما حدث سابقاً، فإذا كانت ذروة الامتصاص عريضة مقارنة بالمعلق الأصلي، قم بإجراء المعالجة بالموجات فوق الصوتية للعينة لمدة 15 دقيقة للمساعدة في إعادة تشتيت الجسيمات النانوية. يُلاحظ أن غشاءً أحادي الطبقة من الكرات النانوية الذهبية بحجم 15 نانومتر والمغطاة بالألكان الثيولي على ركيزة زجاجية يعكس الضوء جزئياً، مما يشير إلى الكسر الحجمي العالي للكرات النانوية، وينقل الضوء، مما يثبت الحفاظ على تجانس البلازما والرنين. يظهر هنا صور مجهر إلكتروني ماسح ملونة كاذباً لغشاء أحادي الطبقة من الكرات النانوية الذهبية بحجم 15 نانومتر والمغطاة بالألكان الثيولي على ركيزة من رقاقة السيليكون. وتوضح حافة الغشاء أن الأغشية هي أغشية أحادية الطبقة وأن الكرات النانوية تتكدس في نطاقات غير متبلورة على مقاييس طول مجهرية.

عند مقاييس طول نانوسكوبية. تحتوي الأفلام على نطاقات سداسية متراصة، كما هو موضح من خلال تحويل فوريه للصورة المعروضة. يظهر هنا الامتصاص التجريبي المعياري لفيلم أحادي الطبقة يتكون من كرات ذهبية نانوية بقطر 15 nanometer تقريبًا ومغطاة بالثيول على ركيزة زجاجية.

معلق من كرات الذهب النانوية بحجم 15 nanometer في الماء، والتي يتم نقل طورها إلى الكلوروفورم بمجرد إتقان العملية. يمكن إتمام هذه التقنية في أقل من ساعة إذا نُفذت بشكل صحيح. بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يتكون لديك فهم جيد لكيفية توظيف الجسيمات النانوية المعدنية وتجميعها ذاتياً بكفاءة لتكوين أغشية متجانسة مجهرية.