Een techniek om functionaliseren en zelf-assembleren Macroscopisch Nanoparticle-ligand Monolayer Films op-Sjabloonloze Substrates

Het algemene doel van deze procedure is het ontwikkelen van macroscopische monolaagfilms van nanodeeltjes en liganden. Dit wordt bereikt door gebruik te maken van een enkele one-pot zelfassemblagetechniek. Eerst worden metalen nanodeeltjes snel gefunctionaliseerd met liganden in een waterig medium of een THF-oplosmiddel.

Vervolgens zorgen de liganden ervoor dat de nanodeeltjes fasescheiding ondergaan naar de interface tussen lucht en oplosmiddel. Ten slotte worden de nanodeeltjes via oppervlaktespanninggradiënten naar substraaten zonder sjabloon getransporteerd, waarbij ze zichzelf assembleren tot macroscopische nanodeeltjes-ligandmonolaagfilms. Uiteindelijk biedt deze procedure een eenvoudige, robuuste en schaalbare techniek om macroscopische nanodeeltjes-ligandmonolaagfilms te functionaliseren en te assembleren op substraaten zonder sjabloon.

Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van andere methoden voor interfaciale assemblage is de snelle en efficiënte functionalisering van nanodeeltjes en de zelfassemblage tot macroscopische monolaagfilms. Hoewel deze methode inzicht kan geven in de organisch-anorganische interface op nanoschaal, kan deze ook worden toegepast in een breed scala aan toepassingen, zoals metamaterialen, fotovoltaïca en moleculaire sensoren. Begin met het concentreren van commercieel beschikbare 15 nanometer gouden nanosferen door 15 milliliters van de verdunde waterсусpensie van nanosferen in een ultracentrifugaalfilter te plaatsen.

Centrifugeer de eenheid vervolgens bij 4 500 Gs gedurende twee minuten of totdat er slechts enkele microliters in de filterkamer overblijven. Resuspendeer de nanosfeer in 1,5 milliliter gedeïoniseerd water (DI-water) of zodanig dat de nanodeeltjesconcentratie ongeveer 10¹³ deeltjes per milliliter is. De suspensie is enkele uren stabiel.

Zodra ze zijn geresuspendeerd in gedestilleerd water, pipetteer dan eerst 150 µL van de suspensie in een cuvet om de numerieke dichtheid te verifiëren en te bevestigen dat de nanodeeltjes niet zijn geaggregeerd. Verdun daarnaast de geconcentreerde nanodeeltjessuspensie met 1,35 mL gedestilleerd water. Plaats vervolgens de cuvet in een UV-Vis-spectrometer en meet het absorptiespectrum van zowel de bereide suspensie als de oorspronkelijke suspensie.

Vergelijk de piekpositie in de volledige breedte op halfmaximum om te bevestigen dat er geen aggregatie heeft plaatsgevonden. De grootte van de absorptiepieken voor beide monsters moet ongeveer gelijk zijn. Hiermee wordt gegarandeerd dat het geconcentreerde monster een factor 10 dichter is in een apart schoon silicaatglasflaskje van 20 milliliter met één milliliter tetrahydrofuraan.

Voeg vervolgens thiol-alkaanliganden toe aan de THF en schud. De oplossing moet voldoende uniform mengen. De liganden moeten in een hoeveelheid worden toegevoegd die ten minste het gehele oppervlak van de gesuspendeerde nanodeeltjes bedekt.

Een overmaat aan liganden verhoogt de snelheid en efficiëntie van de reactie in een zuurkast. Breng één milliliter van het vial met goudnanosferen over in het vial met THF-liganden. Draai het deksel snel vast en schud het vial krachtig gedurende 15 seconden.

Verwijder de dop en zet het flesje neer. In de zuurkast vormen domeinen van gebruikte gouden nanodeeltjes, afhankelijk van de liganden, zich snel aan de lucht-vloeistofinterface. De films beginnen vervolgens langs de wand van het flesje omhoog te trekken.

Bijna alle nanodeeltjes zijn gecapt met thal-liganden, waardoor ze binnen een uur uit de suspensie zijn verwijderd en naar de wand van de flacons zijn getransporteerd. Om de films over te brengen naar verwijderbare glazen substraten, snijdt u de substraten in een oppervlak van 12,5 bij 25,4 millimeter met een ritspen of snijwieltje voor glas; reinig de substraten met een spoeling met aceton, gevolgd door een spoeling met isopropylalcohol en tot slot een spoeling met DI-water.

Raadpleeg het tekstprotocol voor de preparatie van siliciumwafers voordat de substraten worden gedroogd. Plaats vervolgens het substraat in het eerder voorbereide flesje met nanosferen en liganden. Draai de dop erop en schud.

Verwijder na het schudden het deksel met een pincet. Plaats het substraat bijna verticaal tegen de wand van het vial. Breng vervolgens met een pipet het reactiemengsel aan op het substraat.

De reactie stopt wanneer alle organische oplosmiddel is verdampt of wanneer alle nanodeeltjes uit de suspensie zijn verwijderd. Schat de pakkingsefficiëntie van de nanosferen in de monolaag in door de transmissie- en reflectie-eigenschappen van de film te observeren. Verlicht de monolaag op glazen substraten van achteren met een witte lichtbron.

Voor monolaagfilms van nanodeeltjes met een hoge dichtheid moet een uniform gekleurde film in transmissie en een goudachtige reflectie in reflectie worden waargenomen. Gebruik vervolgens een spectrometer om het macroscopische absorptiespectrum van de monolagen te kwantificeren. Normaliseer, zoals eerder gedaan, het absorptiespectrum met een schoon objectglas.

Monteer vervolgens de monolaagfilm op een glazen substraat in het straalpad van de spectrometer en verzamel het absorptiespectrum. De absorptiepiek moet significant verschoven zijn naar het rood met enkele honderden nanometers, afhankelijk van het gebruikte ligand. Als de absorptiepiek zeer breed of niet goed gedefinieerd is, zijn de monolaagfilms waarschijnlijk van lage kwaliteit.

Om de techniek als een efficiënt middel te gebruiken voor de functionalisering van de nanodeeltjes met thal-liganden. Giet het resterende volume vanuit de bodem van het vial af. Nadat de reactie is voltooid, wordt het materiaal in het vial onder stikstof gedroogd.

Voeg een organisch oplosmiddel toe om de nanodeeltjes te resuspenderen met een partikelfase-overdracht en herstel van bijna 100%. Controleer of de nanodeeltjes niet zijn geaggregeerd na resuspensie in het organische oplosmiddel zoals voorheen; indien de absorptiepiek breed is in vergelijking met de oorspronkelijke suspensie, soniceer het monster dan 15 minuten om de nanodeeltjes te helpen herdispergeren. Een thi-alkaan-gecapte monolaagfilm van 15 nanometer gouden nanosferen op een glassubstraat vertoont gedeeltelijke reflectie van licht, wat wijst op een hoog volumefractie van nanosferen, en transmissie van licht, wat de behouden plasma-resonanties aantoont. De hier getoonde uniformiteit en optische helderheid zijn valsgekleurde scanning-elektronenmicroscopiebeelden van een acaan-gecapte monolaagfilm van 15 nanometer gouden nanosferen op een siliciumwafer-substraat. De rand van de film demonstreert dat de films monolagen zijn en dat de nanosferen zich op microscopische lengteschalen in amorfe domeinen pakken.

Op nanoscopische lengteschalen. De films bevatten hexagonaal dichtgepakte domeinen, zoals aangetoond door de Fourier-transformatie van de getoonde afbeelding. Hier is de genormaliseerde experimentele absorptie van een monolaagfilm bestaande uit thiol-gefunctionaliseerde goudnanosferen van ca 15 nm op een glazen substraat.

Een suspensie van 15 nanometer gouden nanosferen in water en gefase-overgeplaatst naar chloroform. Eenmaal beheerst, kan deze techniek in minder dan een uur worden voltooid als deze correct wordt uitgevoerd. Na het bekijken van deze video zou u een goed begrip moeten hebben van hoe u metalen nanodeeltjes efficiënt kunt functionaliseren en zelfassembleren tot microscopische monolithische films.