Nanopartikel-supergitterfilmer som bildas vid fast-vätskegränssnittet är viktiga för material i mesoskala men är utmanande att analysera när bildandet börjar vid ett fast-vätskegränssnitt. I en ny rapport om Vetenskapens framsteg , E. Cepeda-Perez och ett forskarteam inom material, fysik och kemi i Tyskland studerade de tidiga stadierna av nanopartikelmontering vid fasta-vätskegränssnitt med hjälp av vätskefaselektronmikroskopi. De observerade oleylaminstabiliserade guldnanopartiklar att spontant bilda tunna lager på ett kiselnitridmembranfönster i vätskeinneslutningen. I det första monoskiktet, aggregatet bibehöll täta packningar av hexagonal symmetri oberoende av den opolära lösningsmedelstypen. Det andra lagret visade geometrier som sträckte sig från tät packning i en hexagonal bikakestruktur till kvasikristallina partikelarrangemang - baserat på vätskans dielektriska konstant. De komplexa strukturerna gjorda av svagare interaktioner förblev bevarade, medan ytan förblev nedsänkt i vätska. Genom att finjustera egenskaperna hos material som är involverade i nanopartikelsupergitterbildning, Cepeda-Perez et al. kontrollerade den tredimensionella (3D) geometrin hos ett supergitter, inklusive kvasikristaller (ett nytt materiatillstånd).

Nanopartiklar som är tätt packade i två eller tre dimensioner kan bilda regelbundna arrayer av nanopartikelsupergitter. Till exempel, halvledarpartikelsupergitter kan fungera som "meta" halvledare när de doppas med partiklar för att bilda nya mesoskala material, medan plasmoniska partiklar i täta supergitter kan kopplas för att bilda kollektiva lägen med vinkelberoende och avstämbara våglängdssvar. Stora elektriska fält kan uppstå mellan sådana partiklar för ytförstärkt Raman-spektroskopi. Supergitter kan utvecklas vid vätska-vätska, gas-vätska och fast-vätska-gränssnitt, där statisk och dynamisk interaktion mellan partikel-substrat, partikel-partikel och partikel-vätska interaktioner kan diktera strukturen av supergitter. Dock, det är fortfarande svårt att förutse sådana strukturer i förväg. Till exempel, att simulera sammansättningen av supergitter i flera steg är ännu inte möjligt, med mycket lite in-lab real-space-data tillgänglig för modellering. Det är därför utmanande att samla experimentella insikter om grundläggande mekanismer för supergitterbildning.

I det här arbetet, Cepeda-Perez et al. direkt avbildade supergitter av guldnanopartiklar (AuNP) suspenderade i olika opolära lösningsmedel med hjälp av vätskefaselektronmikroskopi (LP-EM). AuNPs i det första lagret ovanför en yta, starkt interagerat med substratet och varandra. Som en överbyggnad monterad lager för lager, ytinteraktionerna minskade, och mönstren stötte på svagare krafter mellan nanopartiklar förmedlade av egenskaperna hos den omgivande vätskan. Teamet studerade övergångar från partikel-yta-interaktioner till svagare interpartikel-interaktioner genom att undersöka mönster av ett monolager och ett dubbellager, under olika lösningsmedelsförhållanden. För att studera ursprunget till supergitter undersökte de en enda typ av oleylaminbelagda AuNP:er monterade på ett kiselnitrid (SiN) belagt membran. För att förstå interaktioner mellan AuNPs och substratet, forskarna bytte lösningsmedlet och använde sveptransmissionselektronmikroskopi (STEM) för att få högsta möjliga rumsliga upplösning med lägsta möjliga elektronflöde.

Teamet utsatte SiN-membranen (kiselnitrid) för en oxiderande plasma för att inducera ytpolaritet direkt innan provet laddades. Sedan med hjälp av vätskefaselektronmikroskopi observerade de guldnanopartiklarna (AuNPs) belägna vid fast-vätskegränssnittet. De testade fyra olika opolära vätskor med olika dielektriska konstanter för att variera interaktionsintervallet. Partikel-substratinteraktioner lockade nanopartiklarna från vätskan till SiN-ytan för att bilda en tunn film. De starka och svaga interaktionerna orsakade täta packningar som endast påverkades svagt av valet av lösningsmedel. De totala densiteterna var högst för lösningsmedlen med linjär kedja.

När du avbildar AuNP-skiktet i hexadekanlösningsmedel, teamet observerade ljusare och svagare fläckar för att indikera närvaron av AuNPs ovanpå ett monolager – vid sidan av tre diskreta nivåer från bildens signal. De observerade mönstren förblev stabila även efter att de spelat in bilder av provområdet i en time-lapse. Jämförelsevis, cyklohexan opolära organiska lösningsmedel ledde till en tät, hexagonalt toppskikt och laget noterade strukturer med en hexagonal bas och rhombitrihexagonal (kännetecknad av en triangel, två parallellogram, och en hexagon på varje vertex) plattsättning. Proverna visade också fläckar av kvasikristallin natur. Jämfört med det första lagret av partiklar, teamet observerade svagare bindning av partiklar i det andra lagret, de krediterade reducerad partikelpackningsdensitet till sönderfallet av partikel-substratinteraktionspotential.

På det här sättet, E. Cepeda-Perez och kollegor visade att lösningsmedel med höga dielektriska konstanter minskade packningsdensiteterna och möjliggjorde bildandet av kvasikristallina strukturer. Resultaten överensstämde med studiens hypotes om substratinducerad självmontering och partikel-substratattraktion. LP-EM-data förklarade mekanismerna bakom bildandet av självmonterade supergitter av guldnanopartiklar vid ett fast-vätskegränssnitt. Resultaten ledde till kvasikristallina partikelarrangemang, vilket berodde på styrkan hos vätskans dielektriska konstant i uppställningen. Baserat på resultaten, 3D-geometrin för ett supergitter inklusive komplexa kvasikristallina strukturer kan finjusteras genom att manipulera egenskaperna hos den inblandade vätskan, nanopartiklar, och gränssnittsmaterial.

© 2020 Science X Network