템플릿이없는 기판에 육안 나노 입자 - 리간드 단층 필름을 기능화 및 자기 조립 기술

이 절차의 전반적인 목표는 거시적인 나노입자 리간드 단분자층 필름을 개발하는 것입니다. 이는 단일 원팟(one-pot) 자기 조립 기술을 사용하여 수행됩니다. 먼저, 금속 나노입자를 물, 테트라하이드로푸란(tetrahydrofuran) 또는 THF 용매 내에서 리간드로 빠르게 기능화합니다.

다음으로, 리간드가 유지된 나노입자들은 공기-용매 계면에서 상분리됩니다. 마지막으로, 나노입자들은 표면 장력 구배를 통해 템플릿이 없는 기판 위로 이동하며, 거시적인 나노입자 리간드 단분자층 박막으로 자기 조립됩니다. 결과적으로, 이 절차는 템플릿이 없는 기판 위에 거시적인 나노입자 리간드 단분자층 박막을 기능화하고 자기 조립시킬 수 있는 간단하고 견고하며 확장 가능한 기술을 제공합니다.

이 기술의 다른 계면 조립 방법 대비 주요 장점은 나노입자의 작용기화와 거시적 단분자층 박막으로의 자기 조립이 빠르고 효율적이라는 점입니다. 이 방법은 나노 규모 수준에서 유기-무기 계면에 대한 통찰력을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 메타물질, 광전지 및 분자 센서와 같은 광범위한 응용 분야에 적용될 수 있습니다. 시작을 위해, 15 mL의 희석된 나노구 수성 현탁액을 초원심 분리 필터에 넣어 상용 15 nm 금 나노구를 농축하십시오.

그런 다음 장치를 4,500 Gs에서 2분 동안 또는 필터 챔버에 몇 µL만 남을 때까지 원심분리합니다. 나노구체를 1.5 mL의 탈이온수(DI water)에 재부유시키거나 나노입자 농도가 약 10¹³ particles/mL가 되도록 조절합니다. 이 현탁액은 수 시간 동안 안정적으로 유지됩니다.

증류수(di water)로 재현탁한 후, 수밀도를 확인하고 나노입자가 응집되지 않았는지 검증하기 위해 먼저 현탁액 150 µL를 큐벳에 취합니다. 또한, 농축된 나노입자 현탁액을 1.35 mL의 증류수로 희석합니다. 그다음, 큐벳을 자외선-가시광선 분광광도계(ultraviolet visible spectrometer)에 넣고 준비된 희석 현탁액과 원래 현탁액의 흡수 스펙트럼을 측정합니다.

응집이 발생하지 않았는지 확인하기 위해 반치폭의 피크 위치를 비교하십시오. 두 샘플 모두 흡광 피크의 크기가 거의 동일해야 합니다. 이를 통해 별도의 깨끗한 20 milliliter 붕규산 유리 파일 내의 1 milliliter tetra hydro furin에서 농축된 샘플이 10배 더 조밀함을 확인합니다.

다음으로, THF에 티올 알칸 리간드를 첨가하고 흔들어 줍니다. 용액이 충분히 균일하게 섞이도록 합니다. 리간드는 현탁액 상태인 나노입자의 전체 표면적을 최소한으로 덮을 수 있는 양만큼 첨가해야 합니다.

과량의 리간드는 흄 후드 내 반응의 속도와 결핍도를 증가시킵니다. 금 나노구체가 들어 있는 바이알에서 1 mL를 취해 THF 리간드 바이알에 넣으십시오. 빠르게 뚜껑을 닫고 15초 동안 바이알을 세게 흔드십시오.

뚜껑을 제거하고 바이알을 내려놓습니다. 흄 후드 내에서, 리간드에 따라 금 나노입자의 사용된 도메인이 공기-액체 계면에서 빠르게 형성됩니다. 이후 박막이 바이알의 벽면을 따라 위로 이동하기 시작합니다.

거의 모든 나노입자가 thal 리간드로 캡핑되어 한 시간 이내에 현탁액에서 제거되어 바이알 측면으로 이동되었습니다. 필름을 제거 가능한 유리 기판으로 옮기려면, 서술펜이나 유리용 휠을 사용하여 기판을 12.5 by 25.4 mm 크기로 자르고, 아세톤으로 헹군 후 이소프로필 알코올로 헹구어 세척하십시오. 마지막으로, di water로 헹구어 마무리합니다.

기판을 건조시키기 전에, 실리콘 웨이퍼 준비에 관한 텍스트 프로토콜을 참조하십시오. 그다음, 미리 준비한 나노구체와 리간드가 담긴 바이알에 기판을 넣습니다. 뚜껑을 돌려 닫고 흔들어 줍니다.

흔든 후, 핀셋을 사용하여 뚜껑을 제거합니다. 기판을 바이알 벽면에 거의 수직이 되도록 배치합니다. 그런 다음 피펫을 사용하여 반응 혼합물을 기판에 코팅합니다.

모든 유기 용매가 증발하거나 현탁액에서 모든 나노입자가 제거되면 반응이 중단됩니다. 필름의 투과 및 반사 특성을 관찰하여 단분자층 내 나노구체의 충전 효율을 추정하십시오. 백색 광원을 사용하여 유리 기판 위의 단분자층 뒷면에서 빛을 비추십시오.

고밀도 나노입자 단분자층 박막의 경우 투과 시에는 균일한 색상의 필름이 관찰되어야 하며, 반사 시에는 금색과 유사한 반사가 관찰되어야 합니다. 다음으로, 분광광도계를 사용하여 단분자층의 거시적 흡수 스펙트럼을 정량화하십시오. 이전과 마찬가지로, 깨끗한 유리 슬라이드를 사용하여 흡수 스펙트럼을 정규화합니다.

그런 다음 단분자층 박막을 분광계의 빔 경로에 있는 유리 기판 위에 장착하고 흡수 스펙트럼을 수집합니다. 흡수 피크는 사용된 리간드에 따라 수백 나노미터 정도 상당히 적색 편이되어야 합니다. 만약 흡수 피크가 매우 넓거나 명확하지 않다면, 단분자층 박막의 품질이 낮을 가능성이 큽니다.

이 기법을 나노입자에 티올 리간드를 기능화하는 효율적인 수단으로 활용하십시오. 바이알 바닥에 남은 액체를 따라내어 제거합니다. 반응이 완료되면 바이알 내의 물질을 질소 기류 하에서 건조시킵니다.

거의 100%의 입자 상 전이 및 회복률로 나노입자를 재현탁하기 위해 유기 용매를 첨가합니다. 유기 용매로 재현탁한 후 나노입자가 이전처럼 응집되지 않았는지 확인하십시오. 흡광 피크가 원래의 현탁액에 비해 넓은 경우, 나노입자의 재분산을 돕기 위해 샘플을 15분 동안 초음파 처리하십시오. 유리 기판 위에 형성된 티올 알칸 캡핑 15 nanometer 금 나노구 단분자층 필름은 빛을 부분적으로 반사하여 나노구의 높은 부피 분율을 나타내며, 동시에 빛을 투과시켜 플라스몬 공명의 보존을 입증합니다. 여기서 보여주는 균일성과 광학적 투명성은 실리콘 웨이퍼 기판 위의 티올 알칸 캡핑 15 nanometer 금 나노구 단분자층 필름을 촬영한 거짓 색상 주사 전자 현미경 이미지입니다. 필름의 가장자리는 해당 필름이 단분자층이며, 나노구들이 미시적 길이 규모에서 무정형 도메인으로 패킹되었음을 보여줍니다.

나노미터 수준의 길이 스케일에서, 이미지의 푸리에 변환(Fourier transform)을 통해 입증되었듯이 박막은 육방 밀집 구조의 도메인을 포함하고 있습니다. 여기에 유리 기판 위에 thiol alkanes로 처리된 약 15 nanometer 크기의 금 나노구체 단분자층 박막으로부터 얻은 정규화된 실험적 흡광도가 나타나 있습니다.

물에 분산된 15 nanometer 금 나노구체를 클로로포름으로 상전이시키는 과정입니다. 이 기술에 숙달되면 적절한 수행 시 1시간 이내에 완료할 수 있습니다. 이 영상을 시청한 후에는 금속 나노입자를 효율적으로 기능화하여 미세 단일체 박막으로 자기 조립시키는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다.