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Summary

A novel method for metal core nanoparticle synthesis using a water stable silanol is described.

Abstract

In this work, a facile one-pot reaction for the formation of metal nanoparticles in a water solution through the use of n-(2-aminoethyl)-3-aminosilanetriol is presented. This compound can be used to effectively reduce and complex metal salts into metal core nanoparticles coated with the compound. By controlling the concentrations of salt and silane one is able to control reaction rates, particle size, and nanoparticle coating. The effects of these changes were characterized through transmission electron microscopy (TEM), UV-Vis spectrometry (UV-Vis), Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy (NMR) and Fourier Transform Infrared spectroscopy (FTIR). A unique aspect to this reaction is that usually silanes hydrolyze and cross-link in water; however, in this system the silane is water-soluble and stable. It is known that silicon and amino moieties can form complexes with metal salts. The silicon is known to extend its coordination sphere to form penta- or hexa-coordinated species. Furthermore, the silanol group can undergo hydrolysis to form a Si-O-Si silica network, thereby transforming the metal nanoparticles into a functionalized nanocomposites.

Introduction

Como a demanda e aplicações de designer de nanomateriais aumenta, o mesmo acontece com os vários métodos de síntese. Os métodos de "cima para baixo", como a ablação a laser ou ataque químico têm sido empregadas por sua excelente controlabilidade e capacidade de resolver os materiais de forma confiável até o nível sub-micron. Estes métodos baseiam-se em materiais a granel a ser processado em componentes mais finas, que tipicamente aumentam o custo de produção, como o tamanho desejado nanoestrutura diminui. Um método alternativo de síntese para isso é a abordagem "bottom-up", que controla a síntese, a nível molecular e acumula-se à nanoestrutura desejado. Isto confere um grau significativo de controle sobre a auto-montagem desejada, a funcionalidade, a passividade, e estabilidade na geração destes materiais nanoestruturados ^1. Ao trabalhar a partir do nível molecular, nanocompósitos híbridos pode ser gerado fornecendo as vantagens de ambos os materiais na mesma estruturé.

Como nanomateriais são sintetizados através da estratégia de baixo para cima, métodos precisam ser empregadas para controlar o tamanho das partículas, forma, textura, hidrofobicidade, porosidade, carga e funcionalidade ^2. Na síntese de nanopartículas núcleo de metal, o sal de metal inicial for reduzida em um processo autocatalítico, para gerar partículas de valência zero, o que por sua vez, dirigem a nucleação de outra partícula. Isto leva a agrupamento e produção de nanopartículas, finalmente, ^3. Num esforço para controlar o tamanho das nanopartículas criadas e impedi-los de precipitar a partir da solução, estabilizadores, tais como ligantes, agentes tensioactivos, carga iónica, e polímeros grandes são explorados quanto à sua capacidade para bloquear as nanopartículas de outra aglomeração ^4-10. Estes materiais inibem a atracção de van der Waals das nanopartículas, quer através de impedimento espacial, devido à presença de grupos volumosos ou através repulsões Coulomb ^3.

em tseu trabalho, uma, uma panela, a estratégia de síntese simples para a geração de várias nanopartículas núcleo de metal usando o silano, N- (2-aminoetil) -3-aminosilanetriol (2-AST) é apresentada (Figura 1). Ligandos sobre este composto é capaz de reduzir os precursores de metal e estabilizar as nanopartículas metálicas com uma relativamente alta eficácia. As três porções de silanol presentes também são capazes de ligação cruzada e isto forma uma rede interligada de polímero impregnado com nanopartículas organossilano numa sua matriz (Figura 2). Ao contrário da maioria silanos, que facilmente sujeitos a hidrólise na presença de água, este composto é estabilizado em água, o que é benéfico para fins de hidrofobicidade, estabilidade e controlo.

Protocol

Nota: Todos os reagentes são utilizados como é do fabricante, sem purificação adicional. As reacções foram monitorizadas por até uma semana por meio de espectroscopia de UV-Vis, para assegurar a redução completa. Todas as reacções são realizadas sob um capuz de ventilação e vestuário de segurança apropriado é usado em todos os momentos, incluindo luvas, óculos de olho, e jalecos. 1. Síntese de nanopartículas de prata Pesar 0,0169 g (0,1 mmol) de nitrato de prata directamente para um frasco de 50 ml de Erlenmeyer. Adicionar em 20 ml de 18,2 mohms de água ultrapura e uma barra de agitação magnética. Cobrir garrafa com rolha para evitar a evaporação. Colocar o balão num banho de óleo situado numa placa de agitação / quente e garantir que a temperatura é mantida a 60 ° C. Adiciona-se lentamente 144 ul (0,2 mmol) de 2-AST utilizando uma micropipeta de precisão. pipeta Lavar várias vezes em solução para assegurar todo o silano é transferido para a solução. Fazer leituras de espectroscopia UV-Visde acordo com o protocolo listado na secção 5. Após 6 h, remover da amostra do banho de óleo e transferir para um frasco de 20 ml da amostra para armazenamento, MET, FTIR e análise adicional. Nota: Síntese de nanopartículas de ouro e paládio segue o mesmo método e quantidades estequiométricas com a excepção de nanopartículas de ouro que necessitam de 216 ul (0,3 mmol) de 2-AST. A reação pode continuar a produzir nanopartículas para até 2 semanas, mas a taxa não é significativo em comparação com a taxa inicial. 2. Microscópio Eletrônico de Transmissão (TEM) Preparação de Amostras Certifique-se de que a amostra foi arrefecida à temperatura ambiente. Coloque uma grelha de cobre revestido de formvar 200 carbono-mesh em um pedaço de papel limpa filtro. Usando um 1 ml de plástico Pasteur pipeta, lançou-drop aproximadamente 60 mL da amostra de nanopartículas diretamente na grade. Permitir grade para secar por 24 horas antes de imagem. Tome imagens TEM de alta resolução com as seguintes condições:10 mA de corrente e 100 kV tensão de aceleração 22. 3. Ressonância Magnética Nuclear (RMN) Preparação da Amostra Nota: Execute NMR à temperatura ambiente. A altas temperaturas sinais podem coalescer, o que degrada a qualidade dos espectros obtidos. Usando uma pipeta de precisão, pipeta 50 ul de dióxido de deutério (D 2 O) para um tubo de RMN limpo. Com outra pipeta de precisão limpo, pipeta de 400 mL de amostra de nanopartículas para o mesmo tubo de RMN. Dado que as amostras podem aderir às paredes internas do tubo de RMN, adicionar lentamente soluções no tubo de RMN. Se a amostra não aderem, a tampa do tubo e apertar a parte superior do tubo para forçar a solução para a parte inferior. Misturar a amostra por agitação e repetidamente invertendo o tubo de RMN. tubo de amostra lugar na RMN seguindo as instruções estabelecidas pelo protocolo de RMN fornecido pelo fabricante. Uma para cima de 1.000 exames podem ser necessários para res adequadoslução num programa de pulso de NMR de protão 1 h. Nota: paredes do tubo NMR devem estar limpas. Recomenda-se que a parede exterior do tubo é limpo com uma microfibra ou um pano sem pêlos antes da análise por espectros de clareza. Descarte amostra quando terminar. Não devolva amostra a solução-mãe. 4. Fourier Transform Infrared Preparação de Amostras (FTIR) Espectroscopia Coloque 2 ml de amostra de nanopartículas em um recipiente de vidro pequeno. A 3 tubo ml ou 1 dram frasco de vidro funciona bem. Secam-se as amostras colocando-se o recipiente de vidro num exsicador de vácuo equipado com uma torneira de passagem. Anexar exsicador até aparelhos bomba de vácuo. Secagem de amostras pode demorar algumas horas, dependendo da força do vácuo. amostras considerar secar depois não há líquido visível no recipiente. Raspe a amostra usando uma espátula limpa e recolher materiais sólidos. Coloque material sólido em ATR-FTIR espectroscópio equipado com um cryst ZnSeai diodo laser. Obter espectros FTIR integrando 32 varrimentos entre 4,000-500 cm -1 com uma resolução espectral de 2,0. Use o fundo de ar 23. 5. espectroscopia UV-vis Preparação da Amostra Realizar espectroscopia UV-vis em amostras de nanopartículas que se encontram numa diluição de 9:59 da amostra de nanopartículas à água de modo que a saturação não ocorre na análise espectrómetro. Retirar amostras de nanopartículas de UV-Vis enquanto que a reacção está sendo executado em intervalos de meia hora. Usando uma pipeta de precisão, remover 100 ul de material de nanopartículas e colocar numa cuvete de plástico. Adicionar 1 ml de água ultrapura para a mesma tina e misture bem por liberando a pipeta várias vezes. UV-Vis espectro de absorção recorde entre 250-800 nm. Após a análise, não retornam amostra a reação. Dispor de analito de uma maneira apropriada.

Representative Results

A reacção foi monitorizada através de espectrometria de UV-Vis de formação de nanopartículas deve produzir picos característicos para cada indivíduo nanopartículas metálicas. A análise final dos materiais sintetizados foi realizada através de TEM e FTIR. Os espectros de FTIR foi obtido a partir de pó seco de amostras. A análise do tamanho de partícula pode ser realizada por medição de diâmetro de nanopartículas de imagens obtidas através de TEM e os resultados médios…

Discussion

Sais relatados neste trabalho são as únicas sais que foram testados desse metal. Como resultado, não é certo que esta estratégia reacção iria trabalhar com todos os sais de metais, particularmente ouro. A solubilidade destes sais em água podem também afectar o resultado da reacção em termos de tempo de reacção, morfologia, e os rendimentos. Em todas as reacções, o silano foi adicionado a uma solução de sal de metal já dissolvido.

É importante notar que é preciso ter cuida…

Materials

n-(2-aminoethyl)-3-aminosilanetriol (2-AST)	Gelest	SIA0590.0	25% in H2O
Silver nitrate	Sigma Aldrich	S6506
Gold(III) chloride trihydrate	Sigma Aldrich	520918
Palladium(II) Nitrate	Alfa Aesar	11035
Deuterium Dioxide	Cambridge Isotope Laboratories	DLM-4-100