Precis som kolatomer i grafenark, nanopartiklar kan bilda stabila lager med minimal tjocklek på diametern på en enda nanopartikel. En ny metod för att länka nanopartiklar till sådana extremt tunna filmer har utvecklats vid Institute of Physical Chemistry vid polska vetenskapsakademien i Warszawa.

Den kemiska skräddaren skär sin päls enligt ... hans nanopartiklar

De skräddarsydda framgångarna hittills för forskare som syntetiserar lager av nanopartiklar skulle inte vara tillräckliga för att iscensätta även de mest blygsamma av kemiska modeshower. Nanopartiklar kan organiseras i tjocktjocklekar av en enda partikel-det vill säga monoskikt - men dessa strukturer var inte stabila eftersom det inte var möjligt att länka ihop nanopartiklar på ett stabilt sätt i monoskikt förrän nu.

"Under de senaste åren har vår grupp vid Institute of Physical Chemistry vid polska vetenskapsakademien i Warszawa har arbetat med att utveckla en universell plattform för syntes av stabila monoskikt av nanopartiklar. I dag, vi har bevis på att vår 'skräddarsydda' metod för kemisk bindning av nanopartiklar i monoskikt faktiskt fungerar, "säger Dr Marcin Fialkowski, professor vid IPC PAS, och visar en liten, lager, läggs på en tallrik, med minsta möjliga tjocklek - lika med diametern på en enda nanopartikel av guld.

Monoskikt av kemiskt sydd guldnanopartiklar som produceras vid IPC PAS har ytor i storleksordningen kvadratmillimeter, och av uppenbara skäl, de är mycket känsliga. Mekaniskt, de liknar akrylplattor - när de utsätts för krafter, de deformeras initialt elastiskt, varefter de plötsligt spricker.

"Våra monoskikt är inte stora, för att vi bara ville demonstrera riktigheten i begreppet deras syntes. Inget står i vägen för att producera monoskikt på det sätt som vi föreslår med områden med många kvadratcentimeter, "säger prof. Fialkowski.

Nanopartikelskikt har producerats i flera år vid gränssnittet mellan två icke -blandbara vätskor. När den införs i en tyngre vätska, vid mekanisk omrörning, lämpligt beredda nanopartiklar rinner ut ur det och fördelar sig slumpmässigt på gränsen till den lättare vätskan. Ordningen kan upprättas genom att komprimera nanopartiklarna med kolvar från sidan och därigenom komprimera dem. Enskikt som producerats på detta sätt var hittills inte hållbara och när de försökte ta bort dem från gränssnittet föll de helt enkelt isär. I tur och ordning, strukturer bundna kemiskt, kan överleva separationen från gränssnittet, visade sig alltid vara antingen flerskiktade eller amorfa kompositer av nanopartiklar.

"Våra monoskikt är stabila eftersom vi har länkat nanopartiklarna med speciella" häftklamrar, 'eller länkmolekyler. Varje länkar sammanfogar två intilliggande nanopartiklar genom starka kovalenta bindningar - det vill säga kemiskt ", förklarar Dr. Tomasz Andryszewski (IPC PAS), huvudförfattare till publikationen i tidskriften Materialkemi .

Guldnanopartiklarna som används i experiment vid IPC PAS har diametrar på cirka fem nanometer (miljardelar av en meter); längden på länkarna som används är bara en och en halv. För att en sådan kort länk ska binda samman intilliggande nanopartiklar, dessa måste flyttas på lämpligt sätt mot varandra.

"Den största svårigheten i vårt arbete låg i det faktum att vi var tvungna att förena två krav som i princip var motsatta. På grund av länkarens längd, vi visste att nanopartiklarna skulle samlas för att vara ett litet avstånd från varandra, vilket innebär att de skulle behöva utsättas för relativt stora krafter. Därför, vi ville inte att nanopartiklarna skulle komma ut ur gränssnittet. På samma gång, vi måste på något sätt förhindra att nanopartiklarna fastnar i slumpmässiga strukturer, "säger Dr Andryszewski.

För att uppfylla dessa villkor, nanopartiklarna var belagda med små, specialdesignade molekyler (ligander), som på ena sidan innehöll amingrupper (med kväve och väte), och på den andra, tiolgrupper (med svavel och väte). Tioldelarna i kombination med guldet, medan aminodelarna befann sig på utsidan av nanopartiklarna och gav dem en positiv elektrisk laddning.

"De modifierade guldnanopartiklarna fungerar som bojar med en stor förskjutning. De lokaliserar sig vid gränsen mellan vätskorna så hållbart att inte ens stark omrörning kan pressa ut dem. Samtidigt, de stöter bort varandra elektrostatiskt. Som ett resultat, varje nanopartikel garanteras ett 'privat utrymme' runt sig själv, nödvändigt för att bevara ordningen, "förklarar doktoranden Michalina Iwan (IPC PAS).

När de korrekt beredda nanopartiklarna redan hade pressats in i monoskikt vid gränssnittet, en länkande substans injicerades i systemet. Tvärbindningsreaktionen, påminner om automatisk häftning, ägde rum vid rumstemperatur och vid normalt tryck, utan behov av några initiatorer eller katalysatorer. Efter den kemiska anastomosen, monoskiktet kan avlägsnas från gränsytan mellan vätskorna, uttorkad, och till och med utsatt för verkan av starka lösningsmedel.

De fysiska egenskaperna hos monoskikt härledda med hjälp av skräddarsydd kemi kan modifieras genom att välja lämpliga länkar. Längre, polymerlänkare skulle möjliggöra bildning av monoskikt med högre elasticitet. Med hjälp av strömledande länkar, det skulle i sin tur vara möjligt att producera monoskikt med specifikt bestämda optoelektroniska egenskaper. Användningen av ytterligare andra länkar kan resultera i att monoskikt uppvisar en piezoresistiv effekt, dvs förändring av deras elektriska konduktivitet under påverkan av mekaniska deformationer. Den nya syntesmetoden är också viktig för grundforskning - i framtiden det kommer att möjliggöra direkt undersökning av saker som mekaniska egenskaper hos enstaka nanopartiklar.