Kemister från University of Oregon som studerar strukturen hos ligandstabiliserade guldnanopartiklar har fångat grundläggande nya insikter om deras stabilitet. Informationen, de säger, skulle kunna bidra till att upprätthålla en önskad, integrerad egenskap i nanopartiklar som används i elektroniska enheter, där stabilitet är viktigt, eller att designa dem så att de lätt kondenserar till tunna filmer för sådant som bläck eller katalysatorer i elektroniska eller solenergiapparater.
I ett projekt – detaljerat i numret av den 27 november av Journal of Physical Chemistry C – Doktorand Beverly L. Smith och James E. Hutchison, som innehar Lokey-Harrington-stolen i kemi vid UO, analyserat hur nanopartikelstorlek och molekyler på deras ytor, kallas ligander, påverka strukturell integritet under stigande temperaturer.
De fokuserade på nanopartiklar mindre än två nanometer i diameter - den minsta studerade hittills - för att bättre förstå strukturell stabilitet hos dessa små partiklar som konstrueras för användning i elektronik, medicin och andra material. Om en nanopartikel behöver förbli stabil eller kondensera beror på hur de används. De som används som katalysatorer i industriell kemisk bearbetning eller kvantprickar för belysning måste förbli intakta; om de är prekursorer för beläggningar i solenergiapparater eller för tryckfärg, nanopartiklar måste vara instabila så att de sintrar och kondenserar till en tunn massa.
För sina experiment, Smith och Hutchison producerade guldnanopartiklar i fyra välkontrollerade storlekar, allt från 0,9 nanometer till 1,5 nanometer, och analyserade ligandförluster och sintring med termogravimetrisk analys och differentiell scanningkalorimetri, och undersökte de resulterande filmerna genom svepelektronmikroskopi och röntgenfotoelektronspektroskopi. Eftersom nanopartiklarna värmdes upp med 5 grader Celsius per minut, från rumstemperatur till 600 grader Celsius, nanopartiklarna började förvandlas nära 150 grader Celsius.
Forskarna fann att mindre nanopartiklar har bättre strukturell integritet än större partiklar som har testats. Med andra ord, Hutchison sa, de är mindre benägna att förlora sina ligander och binda samman. "Om du har instabila partiklar, då är den egendom du vill ha flyktig, " sa han. "Antingen försämras ljusemissionen med tiden och du är klar, eller så blir metallen inaktiv och du är klar. Isåfall, du vill bevara funktionen och förhindra att partiklarna aggregerar." Motsatsen är önskvärd för Hutchison och andra som arbetar i National Science Foundation-finansierade Center for Sustainable Materials Chemistry, ett samarbete mellan flera universitet som leds av UO och Oregon State University. Forskare där syntetiserar nanopartiklar som prekursorer för tunna filmer.
"Vi vill ha lösningsprekursorer som kan leda till oorganiska tunna filmer för användning inom elektronik- och solenergiindustrin, sa Hutchison, som också är medlem i UO Materials Science Institute.
"I detta fall, vi vill veta hur vi håller våra nanopartiklar eller andra prekursorer tillräckligt stabila i lösning så att vi kan arbeta med dem, använder bara en liten mängd extra energi för att göra dem instabila så att de kondenserar till en film – där egenskapen du vill ha kommer från det förlängda fasta ämnet som genereras, inte från själva nanopartiklarna."
Forskningen, Hutchison sa, identifierade svaga platser på nanopartiklar där ligander kan hoppa av. Om bara en liten mängd gör det, han sa, separata nanopartiklar är mer benägna att komma samman och påbörja sintringsprocessen för att skapa tunna filmer.
"Det är en riktigt stabiliserande effekt som i tur och ordning, sparkar ut alla dessa ligander på utsidan, " sa han. "Ytan minskar snabbt och partiklarna blir större, men nu utesluts alla extra ligander i filmen och sedan, över tid, liganderna förångas och försvinner."
Att gå isär, dock, är ett "katastrofiskt misslyckande" om skydd mot sintring är målet. Det kan vara möjligt att använda resultaten, han sa, att utforska sätt att stärka nanopartiklar, såsom att utveckla ligander som binder på minst två ställen eller undvika flyktiga ligander.
Processen, som studerat, producerade porösa guldfilmer. "Nästa steg kan vara att studera hur man manipulerar processen för att få en tätare film om så önskas, ", sa Hutchison. Att förstå hur nanopartiklar reagerar på vissa förhållanden, såsom ändrade temperaturer, han lade till, kan hjälpa forskare att minska avfallet i tillverkningsprocessen.
"Forskare vid University of Oregon omarbetar vetenskapen, tillverkning och affärsprocesser bakom kritiska produkter, sa Kimberly Andrews Espy, vice ordförande för forskning och innovation och dekanus för UOs forskarskola. "Denna forskning som analyserar den strukturella stabiliteten hos nanopartiklar av Dr. Hutchison och hans team har potential att förbättra tekniken för elektronik, medicin och andra material, hjälpa till att främja en hållbar framtid för vår planet och dess människor."
Smed, tidningens huvudförfattare, fick en magisterexamen i kemi 2009 från UO. Hon är nu doktorand i Hutchisons labb. Under de inledande stadierna av forskningen, hon fick stöd av NSF:s Integrative Graduate Education and Research Traineeship (IGERT)-program. Finansiering från Air Force Research Laboratory (bidrag nr. FA8650-05-1-5041) till Hutchison stödde också forskningen.
Hutchison är också medlem av både Oregon Nanoscience and Microtechnologies Institute (ONAMI) och Oregon BEST (Oregon Built Environment &Sustainable Technologies Center), som är statliga signaturforskningsinitiativ.
