Uma técnica para funcionalizar e auto-montar macroscópicas Nanopartículas-ligante monocamada Films em substratos sem Modelo

O objetivo geral deste procedimento é desenvolver filmes macroscópicos de monocamada de ligantes e nanopartículas. Isso é realizado utilizando uma técnica de autoagregação em um único vaso. Primeiro, nanopartículas metálicas são rapidamente funcionalizadas com ligantes em um solvente de água tetrahidrofurano ou THF.

Em seguida, o ligante manteve as nanopartículas separadas em fase na interface ar-solvente. Por fim, as nanopartículas são transportadas para substratos livres de molde utilizando gradientes de tensão superficial, auto-organizando-se em filmes macroscópicos de monocamada de nanopartículas e ligantes. Em última análise, este procedimento fornece uma técnica simples, robusta e escalonável para funcionalizar e auto-organizar filmes macroscópicos de monocamada de nanopartículas e ligantes em substratos livres de molde.

A principal vantagem desta técnica em relação a outros métodos de montagem interfacial é a funcionalização rápida e eficiente de nanopartículas e sua auto-organização em filmes monocamada macroscópicos. Embora este método possa fornecer informações sobre a interface orgânica-inorgânica em nível nanométrico, ele também pode ser aplicado a uma ampla variedade de aplicações, como metamateriais, fotovoltaicos e sensores moleculares. Para começar, concentre esferas nanométricas de ouro de 15 nanômetros disponíveis comercialmente colocando 15 mililitros da suspensão aquosa diluída de nanosferas em um filtro de ultracentrífuga.

Em seguida, centrifugue a unidade a 4.500 Gs durante dois minutos ou até que permaneçam apenas alguns microlitros na câmara do filtro. Re-suspenda a nanosfera em 1,5 mililitros de água desionizada ou água DI, de modo que a concentração de nanopartículas seja aproximadamente de 10 elevado à 13ª partículas por mililitro. A suspensão é estável por várias horas.

Uma vez ressuspendido em água destilada, para verificar a densidade numérica e confirmar que as nanopartículas não se agregaram, pipete primeiramente 150 microlitros da suspensão em um vial. Dilua também a suspensão concentrada de nanopartículas com 1,35 mililitros de água destilada. Em seguida, coloque o vial em um espectrômetro ultravioleta-visível e meça o espectro de absorvência da suspensão preparada, bem como o da suspensão original.

Compare a posição do pico na largura total no máximo a meia altura para garantir que não ocorreu agregação. A magnitude dos picos de absorvância para ambas as amostras deve ser aproximadamente a mesma. Assim, assegurando que a amostra concentrada é mais densa por um fator de 10 em um frasco limpo separado de 20 mililitros de vidro de borossilicato com um mililitro de tetra-hidrofuran.

Em seguida, adicione ligantes de alcano tiol ao THF e agite. A solução deve se misturar uniformemente o suficiente. O ligante deve ser adicionado para cobrir pelo menos toda a área superficial das nanopartículas suspensas.

O excesso de ligante aumenta a velocidade e a deficiência da reação em uma capela. Adicione um mililitro do frasco contendo as nanoesferas de ouro ao frasco de ligantes de THF. Tampe rapidamente e agite o frasco vigorosamente por 15 segundos.

Remova a tampa e coloque o frasco. Na câmara de exaustão, dependendo dos ligantes, domínios de nanopartículas de ouro se formam rapidamente na interface ar-líquido. Em seguida, os filmes começam a subir pelas laterais do frasco.

Quase todas as nanopartículas foram recobertas com ligantes de tiois removidos da suspensão e transportados para o lado dos frascos dentro de uma hora. Para transferir as películas para substratos de vidro removíveis, corte os substratos em uma área de 12,5 por 25,4 milímetros usando uma caneta de riscar ou roda para vidro, limpe-os com uma lavagem com acetona, seguida por uma lavagem com álcool isopropílico. E, finalmente, uma lavagem com água desionizada.

Antes de permitir que os substratos sequem, consulte o protocolo no texto para a preparação de pastilhas de silício. Em seguida, insira o substrato no frasco previamente preparado contendo nanoesferas e ligantes. Parafuse a tampa e agite.

Após agitar, remova a tampa usando pinças. Posicione o substrato quase verticalmente contra a parede do frasco. Em seguida, use uma pipeta para aplicar a mistura reacional sobre o substrato.

A reação para quando todo o solvente orgânico tiver evaporado ou quando todas as nanopartículas tiverem sido removidas da suspensão. Estime a eficiência de empacotamento das nanosferas na monocamada observando as propriedades de transmissão e reflexão do filme. Ilumine a monocamada em substratos de vidro a partir da parte traseira com uma fonte de luz branca.

Deve-se observar uma película uniformemente colorida para filmes de monocamada de nanopartículas de alta densidade em transmissão e um reflexo semelhante ao do ouro em reflexão. Em seguida, utilize um espectrômetro para quantificar o espectro de absorção macroscópico das monocamadas. Como antes, normalize o espectro de absorção com uma lâmina de vidro limpa.

Em seguida, monte a película monocamada sobre um substrato de vidro no trajeto do feixe do espectrômetro e colete o espectro de absorção. O pico de absorção deve apresentar um deslocamento acentuado para o vermelho, de várias centenas de nanômetros, dependendo do ligante utilizado. Se o pico de absorção for muito amplo ou mal definido, as películas monocamada provavelmente são de baixa qualidade.

Para utilizar a técnica como um meio eficiente de funcionalizar as nanopartículas com ligantes de tál. Decante o restante do fundo do frasco. Após a conclusão da reação, seque o material no frasco sob nitrogênio.

Adicione um solvente orgânico para ressuspender as nanopartículas com transferência de fase e recuperação quase de 100%. Certifique-se de que as nanopartículas não tenham agregado após a ressuspensão no solvente orgânico, como anteriormente. Se o pico de absorbância estiver alargado em relação à suspensão original, sonique a amostra por 15 minutos para ajudar a redispersar as nanopartículas. Um filme de monocamada de nanoesferas de ouro de 15 nanômetros funcionalizadas com tiol é observado parcialmente refletindo a luz, indicando a alta fração volumétrica de nanoesferas, e transmitindo luz, demonstrando a preservação das plasmas e ressonâncias. A uniformidade e a clareza óptica mostradas aqui são imagens de microscopia eletrônica de varredura com cores artificiais de um filme de monocamada de nanoesferas de ouro de 15 nanômetros revestidas com tiol sobre um substrato de silício. A borda do filme demonstra que os filmes são monocamadas e que as nanoesferas se organizam em domínios amorfos em escalas de comprimento microscópicas.

Em escalas de comprimento nanoscópicas. Os filmes contêm domínios hexagonais compactos, conforme demonstrado pela transformada de Fourier da imagem mostrada. Aqui está a absorbância experimental normalizada de um filme monocamada constituído por nanoesferas de ouro de aproximadamente 15 nanômetros funcionalizadas com tiol, depositadas sobre um substrato de vidro.

Uma suspensão de nanoesferas de ouro de 15 nanômetros em água e transferida para a fase clorofórmica. Uma vez dominada, esta técnica pode ser realizada em menos de uma hora, se executada corretamente. Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como funcionalizar e auto-organizar eficientemente nanopartículas metálicas em filmes microscópicos monolíticos.