تقنية لFunctionalize وتجميع الذاتي عياني الجسيمات النانوية يجند أحادي الطبقة أفلام على ركائز خالية من قالب

Jake Fontana; Christopher Spillmann; Jawad Naciri; Banahalli R. Ratna

doi:10.3791/51282

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

Summary

يوصف تقنية بسيطة وقوية وقابلة لfunctionalize وتجميع الذاتي العيانية الأفلام أحادي الطبقة جسيمات متناهية الصغر يجند على ركائز خالية من القالب في هذا البروتوكول.

Abstract

يصف هذا البروتوكول تقنية التجميع الذاتي لخلق افلام أحادي الطبقة العيانية يتألف من يجند النانوية المغلفة ^{1، 2.} تقنية بسيطة وقوية وقابلة للتطوير functionalizes بكفاءة الجسيمات النانوية المعدنية مع ثيول-بروابط غير قابلة للامتزاج في خليط الماء / المذيبات العضوية السماح للتطعيم السريع للجماعات ثيول على سطح جسيمات متناهية الصغر من الذهب. وبروابط مسعور على النانوية ثم سرعان مرحلة فصل الجسيمات النانوية من تعليق مائي ومقرها حصر لهم واجهة الهواء السائل. هذا يدفع النانوية المغطاة يجند لتشكيل أحادي الطبقة المجالات في واجهة الهواء السائل. استخدام المذيبات العضوية غير قابلة للامتزاج في الماء مهم لأنه يمكن نقل النانوية من واجهة على ركائز خالية من القالب. وتتوسط تدفق من خلال سطح التوتر التدرج ³ و ⁴ و يخلق العيانية، عالية الكثافة، أحادي الطبقة nanopأفلام المادة يجند. يمكن تعميم هذه التقنية التجميع الذاتي لتشمل استخدام جزيئات من المؤلفات مختلفة، وحجم، وشكل، وربما يؤدي إلى أسلوب التجميع كفاءة لإنتاج الأفلام ذات التكلفة المنخفضة، العيانية، عالية الكثافة، أحادي الطبقة جسيمات متناهية الصغر للتطبيقات واسعة الانتشار .

Introduction

وقد اجتذب التجميع الذاتي للجزيئات النانو الأفلام العيانية اهتماما كبيرا لخصائص فريدة من نوعها مصممة من الهندسة وتكوين عناصر ⁵ وربما يؤدي إلى مجموعة واسعة من التطبيقات البصرية والالكترونية والكيميائية ^6-14. لتجميع الذاتي مثل هذه الأفلام يجب أن تكون معبأة الجسيمات النانوية المعدنية توج مع بروابط إلى عالية الكثافة، الطبقات الوحيدة. ولكن العديد من القضايا التجمع تحتاج إلى معالجة للمضي قدما في تطوير مثل هذه المواد.

الأولى، استقرت السطحي عادة يتم تخليق جزيئات معدنية بالطرق الرطب الكيمياء في تعليق تمييع ^15. لمنع التجميع والسيطرة على التباعد بين الجسيمات النانوية في الأفلام، وتحتاج النانوية أن توج مع قذائف يجند. بعد أن تم بين functionalized النانوية مع بروابط تبقى النانوية عادة في تعليق المخففة نسبيا. وهناك تقنية ومن ثم شمال شرقeded في تقرير المصير، تجميع الجسيمات النانوية إلى العيانية، عالية الكثافة، والأفلام أحادي الطبقة ^{16، 17.}

تشنغ وآخرون ¹⁸ مرحلة نقل nanorods الذهب باستخدام البوليسترين thiolated في تعليق رباعي هيدرو الفوران للماء. ونانواعواد حيث ثم إعادة علقت في الكلوروفورم وضعت قطرة في واجهة بين الهواء والماء وتبخرت ببطء، وتشكيل الأفلام أحادي الطبقة. Bigioni وآخرون ¹⁷ خلق الطبقات الوحيدة العيانية من dodecanethiol توج nanospheres الذهب باستخدام يجند الزائدة وتبخر المذيبات السريع، ولكن nanospheres بحاجة إلى أن تكون مرحلة نقل قبل تجميع الذاتي.

مرة واحدة تتشكل الأفلام أحادي الطبقة التي يحتاجون إليها عادة ليتم نقلها على ركيزة. ترى مايا وآخرون. ³ nanospheres تقتصر على واجهة المياه التولوين ونقلتهم على ركائز خالية من قالب باستخدام التدرجات التوتر السطحي. وبالمثل، جونسون وآخرون. ⁴ nanospheres الفضة معلقة في يجند الزائدة ومن ثم ترجمتها النانوية فوق جدران القارورة باستخدام التدرجات التوتر السطحي من اثنين من سوائل قابلة للامتزاج. بينما توجد تقنيات التجميع لمعالجة كل هذه القضايا وهناك حاجة ضرورة لتقنيات أكثر كفاءة للمساعدة في تطوير الإنتاج السينمائي جسيمات متناهية الصغر على نطاق واسع.

نحن هنا يبرهن على وجود تقنية واضحة وقوية تجمع بين القضايا التجميع الذاتي الثلاث المذكورة أعلاه في ل'وعاء واحد "تقنية واحدة، كما هو موضح في الشكل رقم 1. A المياه المذيبات العضوية غير قابلة للامتزاج (مثل رباعي هيدرو الفوران، سلفوكسيد dimeythl)، ويستخدم ل الأولى بسرعة وكفاءة functionalize ثيول-بروابط (على سبيل المثال، ثيول ألكان، ثيول-إيني، ثيول فينول) على الجسيمات النانوية (على سبيل المثال nanospheres الذهب، نانواعواد، الخ). الخليط ثم يدفع التجميع الذاتي للجزيئات في العيانية، عالية الكثافة، monolaالأفلام ريال يمني في واجهة الهواء السائل باستخدام مرحلة الانفصال. أخيرا، والأفلام أحادي الطبقة النانوية تشكل على ركائز خالية من قالب باستخدام التدرجات التوتر السطحي من المياه / خليط المذيبات العضوية، الشكل 2 والشكل 3.

Protocol

1. الطبقات الوحيدة يجند-جسيمات متناهية الصغر تجميعها الذاتي

كمثال توضيحي للتقنية التجميع الذاتي، ويتم إنتاج العيانية، ثيول ألكان-توج nanosphere الذهب الأفلام أحادي الطبقة على النحو التالي:

تركيز 15 نانومتر الذهب nanospheres (متوفرة تجاريا في مناطق ذات كثافة رقم: 10 ¹² الجسيمات / مل) إلى ~ 10 ¹³ الجسيمات / مل في الماء.
1. وضع 15 مل من الماء المخففة تعليق nanosphere إلى تصفية الطرد المركزي فائقة (100 K الاسمية حد الوزن الجزيئي).
2. الطرد المركزي فلتر / قارورة في 4،500 x ج لمدة 2 دقيقة أو حتى يبقى سوى عدد قليل من مل في غرفة التصفية.
resuspend وnanosphere في حوالي 1 مل من منزوع الأيونات (DI) المياه مثل أن تركيز جسيمات متناهية الصغر هي جسيمات 10 ¹³ / مل. تعليق غير مستقرة لعدة ساعات معلق مرة واحدة في المياه DI.
1. تحقق من كثافة عدد وتأكيد النانوية هكتارلقد لا تجميعها. يخفف من جسيمات متناهية الصغر التعليق المركزة بعامل 1:10 إلى تركيز الأصلي عن طريق وضع 0.150 مل من تعليق في كوفيت (1 سم طول المسار)، وهذه الإضافة 1.35 مل من الماء DI.
2. وضع كفيت في مطياف وقياس الطيف الامتصاصية من التعليق والتعليق الأصلي. قارن بين موقف الذروة والعرض الكامل في نصف الحد الأقصى لضمان لم يحدث التجميع. يجب أن يكون حجم قمم الامتصاصية للعينات تقريبا نفس، وبالتالي ضمان عينة مركزة أكثر كثافة بعامل 10.
في قارورة زجاجية نظيفة 20 مل البورسليكات منفصلة إضافة 1 مل من رباعي هيدرو الفوران (THF).
إضافة بروابط-ثيول ألكان (مثلا 5 مل من 1،6-hexanedithiol و 5 مل من 1-dodecanethiol) إلى THF ويهز الحل لمزيج متجانس. وينبغي أن يضاف يجند ما يكفي لتغطية ما لا يقل عن مساحة كامل النانوية مع وقف التنفيذ. خدمة ممتازق ق يجند يزيد من سرعة وكفاءة التفاعل.
في غطاء الدخان، صب محتويات القارورة التي تحتوي على nanospheres الذهب في قارورة من THF-بروابط.
المسمار بسرعة على غطاء القارورة ويهز بقوة لمدة 15 ثانية.
إزالة الغطاء وتعيين قنينة عليها في غطاء الدخان، الشكل 1 (أ). اعتمادا على بروابط المستخدمة، مجالات الأفلام جسيمات متناهية الصغر من الذهب تشكل بسرعة في واجهة الهواء السائل، والشكل 1 (ج). سوف تبدأ بعد ذلك الأفلام لترجمة ما يصل الجانبين من القارورة، الشكل (1) د. تقريبا وتوج كل النانوية مع ثيول يجند، وإزالتها من التعليق، ونقلها إلى جانبي القارورة في حدود 1 ساعة، الشكل 1 (ه).

2. نقل في الطبقات الوحيدة على ركائز القابل للإزالة

لنقل الأفلام على الزجاج القابلة للإزالة السيليكون وركائز رقاقة: قطع ركائز في مساحة 12.5 مم × 25.4 مم باستخداميخدش القلم / عجلة.
1. ركائز الزجاج: نظيفة باستخدام شطف الأسيتون، يعقبه شطف ايزوبروبيل، وأخيرا شطف المياه DI. السماح للركائز لتجف، انتقل إلى القسم 2.2.
2. رقاقة السيليكون ركائز: في غطاء الدخان إعداد البيرانا حل (3 أجزاء يتركز حامض الكبريتيك إلى 1 جزء 30٪ بيروكسيد الهيدروجين، تنبيه: مؤكسد، أكالة). وضع 15 مل من حمض الكبريتيك إلى 20 مل زجاج البورسليكات قارورة. لهذه الإضافة ببطء 5 مل من 30٪ بيروكسيد الهيدروجين. لا سقف القارورة. توخي الحذر؛ الخليط هو الطاردة للحرارة العالية. انظر المرجع لمزيد من المعلومات سلامة ^19.
3. submerse بعناية ركائز رقاقة السيليكون في حل سمكة البيرانا لمدة 30 دقيقة، وإزالة، وشطف مع الماء DI والجافة مع النيتروجين.
4. كخطوة اختيارية، القارورة تستخدم لتبادل جسيمات متناهية الصغر يجند والتجميع الذاتي يمكن الملحية لإجبار جميع الجسيمات النانوية على الركيزة الزجاج أو الاشتراكيةlicon يفر بدلا من جدران القارورة الزجاجية، انتقل إلى القسم 2.2 خلاف ذلك.
5. ملء قارورة زجاجية مع حل سمكة البيرانا (تنبيه: مؤكسد، أكالة)، راجع القسم 2.1.2.
6. تسمح القارورة لينقع لمدة 30 دقيقة. بعد 30 دقيقة شطف القارورة بالماء DI.
7. ملء قارورة مع 1٪ ت / ت من hexamethyldisilazane في الأسيتون وقبعة.
8. السماح للقارورة مختومة لينقع لمدة 24 ساعة، ثم يشطف بالماء DI والجافة مع النيتروجين.
قبل الهز (القسم 1.6) إدراج الركيزة في القارورة. المسمار على الغطاء واهتزاز.
بعد إزالة الغطاء والهز، وذلك باستخدام ملاقط، ضع الركيزة عمودي تقريبا ضد الجدار القارورة.
استخدام ماصة لمعطف خليط التفاعل على الركيزة. يتوقف رد الفعل عندما تبخرت كل المذيبات العضوية أو تم إزالة كافة جسيمات متناهية الصغر من التعليق.

3. تحليل أحادي الطبقة

تقديرالتعبئة كفاءة nanospheres في أحادي الطبقة بسرعة من خلال مراقبة انتقال والخصائص الانعكاسية للفيلم. إلقاء الضوء على أحادي الطبقة على ركائز الزجاج من وراء مع مصدر الضوء الأبيض. مع مصدر الضوء الأبيض، وينبغي مراعاة فيلم الملونة موحدة لارتفاع الكثافة الأفلام جسيمات متناهية الصغر في نقل أحادي الطبقة وانعكاس مثل الذهب لوحظ في التفكير، والشكل 2.
استخدام مطياف (انظر القسم 1.2.2) لقياس الطيف الامتصاصية العيانية من الطبقات الوحيدة، الرقم 4. تطبيع الطيف الامتصاصية مع شريحة زجاجية نظيفة. تحميل فيلم أحادي الطبقة، على ركيزة الزجاج، في مسار شعاع من مطياف وجمع الطيف الامتصاصية.
ملاحظة: يجب أن يكون ذروة الامتصاصية الحمراء تحولت بشكل كبير عدة مئات نانومتر تبعا ليجند المستخدمة. يجب أن يكون عامل الجودة من ذروة الامتصاصية مماثلة لقيمة تمييع تعليق، ولكن قليلا فقط بroadened (الشكل 4). إذا الذروة الامتصاصية واسع جدا محددة أو غير محددة جيدا ثم الأفلام أحادي الطبقة هي على الأرجح من نوعية رديئة، انتقل إلى القسم 3.3 لمزيد من التوصيف.
دراسة المنظمة نانوية من nanospheres باستخدام المسح الضوئي المجهر الإلكتروني (SEM) من الطبقات الوحيدة نقل على ركائز رقاقة السيليكون (انظر القسم 2.1.2) كما هو موضح في الشكل 3. إذا كانت الأفلام على الزجاج ركائز ربط الشريط الموصلة إلى زاوية واحدة من الفيلم وطحنه حتى صار قاعدة التمثال ووزارة شؤون المرأة لمنع شحن والسماح التصوير.

4. تقنيات نقل المرحلة كفاءة لعضوي قابل للذوبان النانوية

لاستخدام هذه التقنية وسيلة فعالة لfunctionalize النانوية مع ثيول-بروابط، صب الحل المتبقية من الجزء السفلي من القارورة بعد رد الفعل كاملة، القسم 1.7، وتجفيف المواد في القارورة تحت النيتروجين.
إضافة المذيبات العضوية (على سبيل المثالالكلوروفورم، والتولوين) لاعادة تعليق النانوية مع ما يقرب من 100٪ نقل مرحلة الجسيمات والانتعاش.
كرر القسم 1.2.1 لضمان لم تجميعها النانوية على اعادة تعليق في المذيبات العضوية. إذا الذروة الامتصاصية لائحة، نسبة إلى التعليق الأصلي، يصوتن العينة لمدة 15 دقيقة للمساعدة redisperse النانوية، الشكل 4.

النتائج

الشكل 1 (أ) يظهر تعليق nanospheres الذهب، بروابط-ثيول ألكان، رباعي هيدرو الفوران والماء في قارورة زجاجية فورا بعد الخلط. ويرد التخطيطي لمراحل التجميع الذاتي الثلاثة الرئيسية، ونقل المرحلة، مرحلة الانفصال، والتوتر السطحي التدرج بوساطة النقل الفيلم في الشكل 1 ...

Discussion

يصف هذا البروتوكول واحد 'وعاء واحد "تقنية التجميع الذاتي لخلق العيانية الأفلام أحادي الطبقة جسيمات متناهية الصغر باستخدام يجند نقل المرحلة، مرحلة الانفصال والتدرجات التوتر السطحي. وميزة هذا الأسلوب هو أنه يجمع بين ثلاث عمليات التجميع الذاتي في عملية منخفضة ال?...

Disclosures

والكتاب ليس لديهم ما يكشف.

Acknowledgements

وأيد هذا العمل مع التمويل المقدم من مكتب البحوث البحرية. J. فونتانا يقر المجلس الوطني للبحوث ما بعد الدكتوراه لالزمالة.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
1,6-hexanedithiol	Sigma	H12005-5G
1-dodecanethiol	Sigma	471364-100ML
20 ml liquid scintillation vials	Sigma	Z253081-1PAK
Acetone	Sigma	650501-1L
Amicon ultra-15 centrifugal filter	Millipore	100K
Centrifuge	Sorvall	RC5B
Centrifuge	Eppendorf	5810R
Deionized water	In-house	N/A
Glass slides	Sigma	CLS294875X25-72EA
15 nm gold nanospheres	Ted Pella, Inc	15703-1
Hexamethyldisilazane	Sigma	52619-50ML
Hydrogen peroxide (30%)	Sigma	216763-100ML
Scanning electron microscope	Carl Zeiss	Model 55
Polished silicon wafer	Sun Edison	N/A
spectrometer	OceanOptics	USB4000-VIS-NIR
Sulfuric acid	Fisher	A300-212
Tetrahydrofuran	Sigma	401757-100ML

References

Fontana, J., Naciri, J., Rendell, R., Ratna, B. R. Macroscopic self-assembly and optical characterization of nanoparticle–ligand metamaterials. Advanced Optical Materials. 1, 100-106 (2013).
Fontana, J., et al. Large surface-enhanced Raman scattering from self-assembled gold nanosphere monolayers. Applied Physics Letters. 102, (2013).
Mayya, K. S., Sastry, M. A new technique for the spontaneous growth of colloidal nanoparticle superlattices. Langmuir. 15, 1902-1904 (1999).
Spain, E. M., Johnson, D. D., Kang, B., Vigorita, J. L., Amram, A. Marangoni flow of Ag nanoparticles from the fluid-fluid interface. J Phys Chem A. 112, 9318-9323 (2008).
Sihvola, A. Metamaterials: A Personal View. Radioengineering. 18, 90-94 (2009).
Valentine, J., Li, J. S., Zentgraf, T., Bartal, G., Zhang, X. An optical cloak made of dielectrics. Nature Materials. 8, 568-571 (2009).
Seo, E., et al. Double hydrophilic block copolymer templated Au nanoparticles with enhanced catalytic activity toward nitroarene reduction. The Journal of Physical Chemistry C. , (2013).
Ward, D. R., et al. Simultaneous measurements of electronic conduction and Raman response in molecular junctions. Nano Letters. 8, 919-924 (2008).
Perez-Gonzalez, O., et al. Optical Spectroscopy of Conductive Junctions in Plasmonic Cavities. Nano Letters. 10, 3090-3095 (2010).
Xiao, S. M., Chettiar, U. K., Kildishev, A. V., Drachev, V. P., Shalaev, V. M. Yellow-light negative-index metamaterials. Optics Letters. 34, 3478-3480 (2009).
Fang, N., Lee, H., Sun, C., Zhang, X. Sub-diffraction-limited optical imaging with a silver superlens. Science. 308, (2005).
Liu, Z. W., Lee, H., Xiong, Y., Sun, C., Zhang, X. Far-field optical hyperlens magnifying sub-diffraction-limited objects. Science. 315, 1686-1686 (2007).
Valentine, J., et al. Three-dimensional optical metamaterial with a negative refractive index. Nature. 455, (2008).
Law, M., Greene, L. E., Johnson, J. C., Saykally, R., Yang, P. D. Nanowire dye-sensitized solar cells. Nature Materials. 4, 455-459 (2005).
Frens, G. Controlled Nucleation for Regulation of Particle-Size in Monodisperse Gold Suspensions. Nature-Phys Sci. 241, 20-22 (1973).
Ye, X., Chen, J., Diroll, B. T., Murray, C. B. Tunable Plasmonic Coupling in Self-Assembled Binary Nanocrystal Superlattices Studied by Correlated Optical Microspectrophotometry and Electron Microscopy. Nano Letters. 13, 1291-1297 (2013).
Bigioni, T. P., et al. Kinetically driven self-assembly of highly ordered nanoparticle monolayers. Nature Materials. 5, (2006).
Ng, K. C., et al. Free-Standing Plasmonic-Nanorod Super lattice Sheets. Acs Nano. 6, 925-934 (2012).
Romero, I., Aizpurua, J., Bryant, G. W., de Abajo, F. J. G. Plasmons in nearly touching metallic nanoparticles: singular response in the limit of touching dimers. Optics Express. 14, 9988-9999 (2006).
Caragheorgheopol, A., Chechik, V. Mechanistic aspects of ligand exchange in Au nanoparticles. Physical Chemistry Chemical Physics. 10, 5029-5041 (2008).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

87 metamaterial

This article has been published

Video Coming Soon

Keep me updated: