Une technique pour fonctionnaliser et auto-assemblage de nanoparticules macroscopiques-ligand monocouches Films sur substrats libre-modèle

L'objectif général de cette procédure est de développer des films macroscopiques de nanoparticules, de ligands et de monocouches. Cela est réalisé à l'aide d'une technique d'auto-assemblage en une seule étape et en un seul récipient. Dans un premier temps, des nanoparticules métalliques sont rapidement fonctionnalisées avec des ligands dans un solvant eau/tétrahydrofuranne ou THF.

Ensuite, le ligand maintient la séparation de phase des nanoparticules à l'interface air-solvant. Enfin, les nanoparticules sont transférées sur des substrats exempts de gabarit à l'aide de gradients de tension superficielle, s'auto-assemblant en films macroscopiques de monocouche de nanoparticules et de ligands. En définitive, cette procédure offre une technique simple, robuste et échelonnable pour fonctionnaliser et auto-assembler des films macroscopiques de monocouche de nanoparticules et de ligands sur des substrats exempts de gabarit.

L'avantage principal de cette technique par rapport à d'autres méthodes d'assemblage interfacial réside dans la fonctionnalisation rapide et efficace des nanoparticules ainsi que dans leur auto-assemblage en films monocouches macroscopiques. Bien que cette méthode permette d'obtenir des informations sur l'interface organique-inorganique à l'échelle nanométrique, elle peut également être appliquée à une grande variété d'applications telles que les métamatériaux, le photovoltaïque et les capteurs moléculaires. Pour commencer, concentrer des nanosphères d'or de 15 nanomètres disponibles commercialement en plaçant 15 millilitres de la suspension aqueuse diluée de nanosphères dans un filtre de centrifugation ultracentrifuge.

Ensuite, centrifuger l'unité à 4 500 g pendant deux minutes ou jusqu'à ce qu'il ne reste que quelques microlitres dans la chambre du filtre. Résuspender la nanosphère dans 1,5 millilitre d'eau désionisée (ou eau DI) de manière à obtenir une concentration en nanoparticules d'environ 1013 particules par millilitre. La suspension est stable pendant plusieurs heures.

Une fois resuspendus dans de l'eau distillée, pipetez 150 microlitres de la suspension dans une cuvette afin de vérifier la densité volumique et confirmer que les nanoparticules ne se sont pas agrégées. Diluez ensuite la suspension concentrée de nanoparticules avec 1,35 millilitre d'eau distillée. Placez ensuite la cuvette dans un spectrophotomètre ultraviolet-visible et mesurez le spectre d'absorption de la suspension préparée ainsi que celui de la suspension initiale.

Comparer la position du pic à la largeur à mi-hauteur pour s'assurer qu'aucune agrégation n'a eu lieu. L'intensité des pics d'absorbance pour les deux échantillons devrait être approximativement identique. Ainsi, on s'assure que l'échantillon concentré est plus dense d'un facteur 10 dans un autre flacon en verre borosilicaté propre de 20 millilitres contenant un millilitre de tétrahydrofuranne.

Ensuite, ajoutez les ligands thiols alcanes au THF et agitez. La solution doit être suffisamment homogénéisée. Le ligand doit être ajouté de manière à recouvrir au moins toute la surface des nanoparticules en suspension.

Un excès de ligand augmente la vitesse et l'insuffisance de la réaction sous hotte. Prélevez un millilitre du flacon contenant les nanosphères d'or et ajoutez-le dans le flacon de ligands de THF. Vissez rapidement le bouchon et agitez vigoureusement le flacon pendant 15 secondes.

Retirez le couvercle et posez le flacon. Sous la hotte, en fonction des ligands, des domaines utilisés de nanoparticules d'or se forment rapidement à l'interface air-liquide. Les films commencent ensuite à remonter sur les parois du flacon.

Presque toutes les nanoparticules ont été recouvertes de ligands thal retirés de la suspension et transportés sur le côté des vials dans l'heure. Pour transférer les films sur des substrats en verre amovibles, découpez les substrats en une surface de 12,5 sur 25,4 millimètres à l’aide d’un stylet ou d’une roulette pour verre, nettoyez-les avec un rinçage à l’acétone, suivi d’un rinçage à l’alcool isopropylique. Et enfin, un rinçage à l’eau désionisée.

Avant de laisser sécher les substrats, consulter le protocole écrit pour la préparation des tranches de silicium. Ensuite, insérer le substrat dans le flacon préalablement préparé contenant les nanosphères et les ligands. Visser le bouchon et agiter.

Après agitation, retirez le couvercle à l’aide de pinces. Placez le substrat presque verticalement contre la paroi du flacon. Ensuite, utilisez une pipette pour appliquer une couche du mélange réactionnel sur le substrat.

La réaction s'arrête lorsque tout le solvant organique s'est évaporé ou lorsque toutes les nanoparticules ont été retirées de la suspension. Estimez l'efficacité d'empaquetage des nanosphères dans la monocouche en observant les propriétés de transmission et de réflexion du film. Illuminez la monocouche sur des substrats de verre par l'arrière à l'aide d'une source de lumière blanche.

Un film coloré uniforme doit être observé en transmission pour les films monocouches de nanoparticules à haute densité, et une réflexion semblable à celle de l'or doit être observée en réflexion. Ensuite, utiliser un spectromètre pour quantifier le spectre d'absorption macroscopique des monocouches. Comme précédemment, normaliser le spectre d'absorption à l'aide d'une lame de verre propre.

Ensuite, monter le film monocouche sur un substrat en verre placé dans le trajet du faisceau du spectromètre et enregistrer le spectre d'absorption. Le pic d'absorption doit être notablement décalé vers le rouge de plusieurs centaines de nanomètres, selon le ligand utilisé. Si le pic d'absorption est très large ou mal défini, les films monocouche sont probablement de mauvaise qualité.

Utiliser cette technique comme un moyen efficace de fonctionnaliser les nanoparticules avec des ligands thal. Décanter le reste au fond du flacon. Une fois la réaction terminée, sécher le matériau dans le flacon sous atmosphère d'azote.

Ajoutez un solvant organique pour resuspendre les nanoparticules avec un transfert de phase et une récupération quasi totaux (près de 100 %). Assurez-vous que les nanoparticules ne se sont pas agrégées lors de la resuspension dans le solvant organique, comme précédemment. Si le pic d'absorbance est élargi par rapport à la suspension initiale, soniquez l'échantillon pendant 15 minutes afin de favoriser la redispersion des nanoparticules. Un film monocouche de nanosphères d'or de 15 nanomètres fonctionnalisées par un thiol, déposé sur un substrat de verre, présente une réflexion partielle de la lumière, indiquant une fraction volumique élevée de nanosphères, tout en transmettant la lumière, ce qui démontre la préservation des plasmons et des résonances. L'uniformité et la clarté optique illustrées ici proviennent d'images en microscopie électronique à balayage avec colorisation artificielle d'un film monocouche de nanosphères d'or de 15 nanomètres capé par un alcane, déposé sur un substrat de silicium. Le bord du film montre que les couches sont monocouches et que les nanosphères s'organisent en domaines amorphes à l'échelle microscopique.

À des échelles de longueur nanoscopiques. Les films contiennent des domaines hexagonaux compacts, comme le montre la transformée de Fourier de l'image. On observe ici l'absorbance expérimentale normalisée d'un film monocouche composé de nanosphères d'or de 15 nanomètres fonctionnalisées par des thiols, déposées sur un substrat de verre.

Une suspension de nanosphères d'or de 15 nanomètres dans l'eau est transférée dans la phase chloroforme. Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en moins d'une heure si elle est effectuée correctement. Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la manière de fonctionnaliser efficacement des nanoparticules métalliques et de les auto-assembler en films monolithiques microscopiques.