Anizotropowe nanocząstki metaliczne

Dodaj linki
Z Wikipedii, wolnej encyklopedii

Anizotropowe nanocząstki metaliczne – nanocząstki metaliczne o kształcie i właściwościach zależnych od kierunku. Do nanocząstek anizotropowych zalicza się m.in. nanopręty, nanotrójkąty, nanogwiazdki czy nanobipiramidy. Dla kontrastu, nanocząstki izotropowe, czyli niezależne od kierunku, mają kształt sferyczny[1].

Przyjmuje się, że nanomateriały, w tym nanocząstki, to obiekty, które przynajmniej w jednym wymiarze nie przekraczają 100 nm. Cechą unikatową wszystkich nanomateriałów jest to, że wykazują one odmienne właściwości fizykochemiczne niż ich makroskopowe odpowiedniki, co zapewnia im szeroką gamę zastosowań w wielu dziedzinach nauki i przemysłu. Wśród nanomateriałów możemy wyróżnić m.in. grupę materiałów węglowych (takich jak grafen, nanorurki, fulereny)[2], nanocząstki półprzewodnikowe (kropki kwantowe)[3] czy nanocząstki metaliczne (np. nanocząstki złota, nanocząstki srebra, nanocząstki miedzi)[4].

Właściwości optyczne[edytuj | edytuj kod]

Fundamentalną cechą nanocząstek metalicznych, zapewniającą im wykorzystanie w elektronice czy optoelektronice, jest wykazywane przez nie zjawisko tzw. zlokalizowanego rezonansu plazmonów powierzchniowych (ang. localized surface plasmon resonance – LSPR)[5]. Polega ono na kolektywnych drganiach chmury elektronowej nanocząstki wzbudzanych działaniem fali elektromagnetycznej[6]. Jeśli energia tych oscylacji dopasowana jest do energii fali elektromagnetycznej, dochodzi do zjawiska rezonansu. Dzięki temu nanocząstki mogą efektywnie absorbować padające na nie fale elektromagnetyczne o określonych długościach.

W przypadku nanocząstek sferycznych chmura elektronowa oscyluje izotropowo[7]. Skutkuje to występowaniem w widmie absorpcyjnym jednego pasma plazmonowego dla tego rodzaju nanocząstek. Natomiast w przypadku nanocząstek anizotropowych oscylacje te ściśle zależą od kształtu[8]. Przykładowo w widmie absorpcji nanocząstek o kształcie prętów obserwuje się występowanie dwóch pasm plazmonowych pochodzących od drgań wzdłuż i w poprzek nanocząstki. Na kształt i położenie tych pasm wpływa również wielkość nanocząstek, a także stosunek ich długości do szerokości (ang. aspect ratio – AR). Rozpatrując widma absorpcyjne sferycznych i quasi-sferycznych (np. dekahedralnych) nanocząstek jednego rodzaju, widać, że im większe są nanocząstki tym bardziej maksimum ich absorbancji przesunięte jest w kierunku dłuższych fal. Natomiast analizując widma absorpcji nanocząstek anizotropowych (takich jak pręty) można zauważyć, że położenie pasma plazmonowego pochodzącego od drgań wzdłużnych zależy od aspect ratio (AR). Im większe AR tym bardziej maksimum pochodzące od plazmonu wzdłużnego przesunięte jest w kierunku dłuższych fal.

Nanocząstki metaliczne o różnych kształtach i wielkościach mogą absorbować w dość szerokim zakresie długości fal. Zmieniając zatem kształt i wielkość nanocząstek, można stosunkowo łatwo sterować właściwościami plazmonowymi, co zapewnia elastyczność w wykorzystaniu materiałów, których budowa oparta jest na nanocząstkach.

Metoda syntezy i mechanizmy wzrostu anizotropowych nanocząstek złota[edytuj | edytuj kod]

Najpopularniejszą metodą syntezy nanocząstek anizotropowych opracowaną przez C. Murphy i in. jest wzrost poprzez zarodkowanie (ang. seed – mediated growth method)[9]. W pierwszym etapie syntezy otrzymuje się małe zarodki (sferyczne, ~ 2 nm średnicy) w wyniku redukcji prekursora złota (zazwyczaj HAuCl4) przy użyciu borowodorku sodu w obecności surfaktantu. Drugi etap polega na redukcji kolejnej porcji HAuCl4 w obecności surfaktantu i otrzymanych wcześniej zarodków oraz dodatkowych związków wpływających na kształt otrzymywanych nanocząstek. Obecnie opracowano wiele modyfikacji pierwotnej metody. Zawsze opierają się one o surfaktanty, stosowane jako związki stabilizujące i chroniące przed agregacją[10][11] Co istotne, mają one również wpływ na kształt otrzymywanych nanocząstek[12][13]. Wynika to z różnic strukturalnych, a konkretnie różnego poziomu oddziaływań z powierzchnią syntezowanych nanocząstek. W tego rodzaju syntezach najpowszechniej stosowanymi surfaktantami są bromek heksadecylotrimetyloamoniowy – CTAB, chlorek heksadecylotrimetyloamoniowy – CTAC i chlorek benzylodimetyloheksadecyloamoniowy – BDAC.

Kolejnym czynnikiem determinującym kształty nanocząstek są wspomniane „dodatki”, czyli inne związki poza prekursorem, używane w trakcie syntez. Przykładami są azotan srebra (AgNO3, używany przy syntezie nanoprętów i bipiramid złota), jodek sodu (NaI, który sprzyja uzyskiwaniu zbliźniaczonych krystalitów Au niezbędnych w syntezie nanotrójkątów złota) oraz kwas askorbinowy (który służy jako czynnik redukujący prekursor złota z III do I stopnia utlenienia w drugim etapie syntezy, nie doprowadzając do powstawania nowych zarodków krystalizacji Au).

Zmiana ilości użytego kwasu askorbinowego wpływa na kinetykę reakcji redukcji, a zatem i na kształt powstających struktur. Zwiększając ilość czynnika redukującego, zwiększa się szybkość redukcji jonów złota, co prowadzi do wzrostu nanocząstek o morfologii kinetycznie bardziej korzystnej (lub mniej korzystnej termodynamicznie)[14][15]. Zatem im większa ilość użytego czynnika redukującego, tym wyższa energia powierzchniowa sieci krystalicznej powstających nanocząstek.

Kolejnym kluczowym czynnikiem jest struktura krystaliczna zarodków otrzymywanych w pierwszym etapie syntezy, która definiuje strukturę krystaliczną finalnych nanocząstek[16]. Wyróżnia się zarodki monokrystaliczne, dwukrystaliczne oraz polikrystaliczne. Zarodki monokrystaliczne otrzymuje się w wyniku redukcji prekursora złota przy użyciu borowodorku sodu w obecności surfaktantu, a zarodki dwu- i polikrystaliczne otrzymuje się, poddając dalszym modyfikacjom zarodki monokrystaliczne. By otrzymać zarodki dwukrystaliczne, redukuje się prekursor złota w obecności zarodków monokrystalicznych, surfaktantu oraz NaI[17]. Natomiast zarodki polikrystaliczne otrzymuje się przede wszystkim poprzez dodatek kwasu cytrynowego[18]. Wydajność polikrystalizacji, a więc i większą monodyspersyjność otrzymywanych później nanocząstek, można poprawić poprzez kondycjonowanie zarodków w temperaturze ok. 80 °C i użycie jako surfaktantu CTAC-u, który słabiej oddziałuje z powierzchnią złota, co ułatwia dostęp jonów cytrynianowych do ich powierzchni[19].

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. ↑ Jose E. Ortiz-Castillo i inni, Anisotropic gold nanoparticles: A survey of recent synthetic methodologies, „Coordination Chemistry Reviews”, 425, 2020, s. 213489, DOI: 10.1016/j.ccr.2020.213489, ISSN 0010-8545 [dostęp 2022-04-28] (ang.).
  2. ↑ Nanomateriały [online], zasoby.open.agh.edu.pl [dostęp 2022-04-28].
  3. ↑ Semiconductor Nanoparticles – an overview | ScienceDirect Topics [online], www.sciencedirect.com [dostęp 2022-04-28].
  4. ↑ Metal Nanoparticles – an overview | ScienceDirect Topics [online], www.sciencedirect.com [dostęp 2022-04-28].
  5. ↑ Eleonora Petryayeva, Ulrich J. Krull, Localized surface plasmon resonance: Nanostructures, bioassays and biosensing – A review, „Analytica Chimica Acta”, 706 (1), 2011, s. 8–24, DOI: 10.1016/j.aca.2011.08.020, ISSN 0003-2670 [dostęp 2022-04-28] (ang.).
  6. ↑ K. Lance Kelly i inni, The Optical Properties of Metal Nanoparticles: The Influence of Size, Shape, and Dielectric Environment, „The Journal of Physical Chemistry B”, 107 (3), 2003, s. 668–677, DOI: 10.1021/jp026731y, ISSN 1520-6106 [dostęp 2022-04-28] (ang.).
  7. ↑ Yoochan Hong i inni, Nanobiosensors Based on Localized Surface Plasmon Resonance for Biomarker Detection, „Journal of Nanomaterials”, 2012, 2012, s. 1–13, DOI: 10.1155/2012/759830, ISSN 1687-4110 [dostęp 2022-04-28] (ang.).
  8. ↑ Lu Sun, Ping Chen, Lie Lin, Enhanced Molecular Spectroscopy via Localized Surface Plasmon Resonance, IntechOpen, 5 października 2016, DOI: 10.5772/64380, ISBN 978-953-51-2681-2 [dostęp 2022-04-28] (ang.).
  9. ↑ Nikhil R. Jana, Latha Gearheart, Catherine J. Murphy, Wet Chemical Synthesis of High Aspect Ratio Cylindrical Gold Nanorods, „The Journal of Physical Chemistry B”, 105 (19), 2001, s. 4065–4067, DOI: 10.1021/jp0107964, ISSN 1520-6106 [dostęp 2022-04-28] (ang.).
  10. ↑ Feng Xu, Qi Zhang, Zhinong Gao, Simple one-step synthesis of gold nanoparticles with controlled size using cationic Gemini surfactants as ligands: Effect of the variations in concentrations and tail lengths, „Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects”, 417, 2013, s. 201–210, DOI: 10.1016/j.colsurfa.2012.10.059 [dostęp 2022-04-28] (ang.).
  11. ↑ Betty C Rostro-Kohanloo i inni, The stabilization and targeting of surfactant-synthesized gold nanorods, „Nanotechnology”, 20 (43), 2009, s. 434005, DOI: 10.1088/0957-4484/20/43/434005, ISSN 0957-4484 [dostęp 2022-04-28].
  12. ↑ Sulalit Bandyopadhyay, Gurvinder Singh, Wilhelm Robert Glomm, Shape tunable synthesis of anisotropic gold nanostructures through binary surfactant mixtures, „Materials Today Chemistry”, 3, 2017, s. 1–9, DOI: 10.1016/j.mtchem.2016.11.005, ISSN 2468-5194 [dostęp 2022-04-28] (ang.).
  13. ↑ Mark R. Langille i inni, Defining Rules for the Shape Evolution of Gold Nanoparticles, „Journal of the American Chemical Society”, 134 (35), 2012, s. 14542–14554, DOI: 10.1021/ja305245g, ISSN 0002-7863 [dostęp 2022-04-28] (ang.).
  14. ↑ Hsin-Lun Wu, Chun-Hong Kuo, Michael H. Huang, Seed-Mediated Synthesis of Gold Nanocrystals with Systematic Shape Evolution from Cubic to Trisoctahedral and Rhombic Dodecahedral Structures, „Langmuir”, 26 (14), 2010, s. 12307–12313, DOI: 10.1021/la1015065, ISSN 0743-7463 [dostęp 2022-04-28] (ang.).
  15. ↑ Craig Bullen i inni, Chemical Kinetics of Gold Nanorod Growth in Aqueous CTAB Solutions, „Crystal Growth & Design”, 11 (8), 2011, s. 3375–3380, DOI: 10.1021/cg101636r, ISSN 1528-7483 [dostęp 2022-04-28] (ang.).
  16. ↑ Younan Xia, Xiaohu Xia, Hsin-Chieh Peng, Shape-Controlled Synthesis of Colloidal Metal Nanocrystals: Thermodynamic versus Kinetic Products, „Journal of the American Chemical Society”, 137 (25), 2015, s. 7947–7966, DOI: 10.1021/jacs.5b04641, ISSN 0002-7863 [dostęp 2022-04-28] (ang.).
  17. ↑ Piotr Szustakiewicz i inni, Robust Synthesis of Gold Nanotriangles and their Self-Assembly into Vertical Arrays, „ChemistryOpen”, 8 (6), 2019, s. 705–711, DOI: 10.1002/open.201900082, ISSN 2191-1363, PMID: 31205847, PMCID: PMC6559201 [dostęp 2022-04-28] (ang.).
  18. ↑ Yujie Xiong i inni, Synthesis of Palladium Icosahedra with Twinned Structure by Blocking Oxidative Etching with Citric Acid or Citrate Ions, „Angewandte Chemie International Edition”, 46 (5), 2007, s. 790–794, DOI: 10.1002/anie.200604032 [dostęp 2022-04-28] (ang.).
  19. ↑ Ana Sánchez-Iglesias i inni, High-Yield Seeded Growth of Monodisperse Pentatwinned Gold Nanoparticles through Thermally Induced Seed Twinning, „Journal of the American Chemical Society”, 139 (1), 2017, s. 107–110, DOI: 10.1021/jacs.6b12143, ISSN 0002-7863 [dostęp 2022-04-28] (ang.).
Źródło: „https://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=Anizotropowe_nanocząstki_metaliczne&oldid=70360306”