Техника функционализировать и самоорганизуются макроскопических наночастиц-лиганд однослойных пленок на Шаблон без подложек

Резюме

Простой, надежный и масштабируемый метод функционализировать и самостоятельно собираться макроскопические наночастиц-лиганд однослойных пленок на шаблонных без подложек описывается в данном протоколе.

Аннотация

Этот протокол описывает способ самосборки, чтобы создать макроскопические пленок однослойных состоящие из лигандов покрытием наночастиц ^{1, 2.} Простой, надежный и масштабируемый метод эффективно functionalizes металлические наночастицы с тиольными лигандов в смеси смешивается вода / органический растворитель, позволяющий для быстрого прививки тиоловых групп на поверхность наночастицы золота. Гидрофобные лиганды на наночастиц затем быстро отделить фаза наночастиц из водной основе суспензии, и ограничить их поверхности раздела воздух-жидкость. Это приводит в движение наночастиц лиганд-ограничен с образованием однослойные домены на границе раздела воздух-жидкость. Использование смешивающихся с водой органических растворителей важна, поскольку она позволяет транспортировать наночастиц из интерфейса на шаблонных без подложек. Поток опосредуется поверхностного натяжения градиента ^{3, 4} и создает макроскопические, высокой плотности, монослоя nanopСтатья-лиганд фильмы. Этот метод самосборки может быть обобщен на использование частиц разного состава, размера и формы и может привести к эффективным методом сборки для производства недорогих, макроскопические, высокой плотности, монослой наночастиц фильмы для распространенных приложений .

Введение

Самосборка макроскопических наночастиц фильмов привлек большое внимание своими уникальными параметрами, определяемыми из геометрии и состава элементов ⁵ и может привести к широкого спектра оптических, электронных и химических применений ^6-14. Чтобы самостоятельно собрать таких фильмах металлические наночастицы крышками с лигандами должны быть упакованы в высокой плотности, монослоев. Однако ряд вопросов по монтажу должны быть решены для продвижения развития таких материалов.

Во-первых, поверхностно стабилизировалась металлические наночастицы, как правило, синтезировать методами мокрого химии в разбавленных суспензий ^15. Чтобы предотвратить агрегацию и контролировать расстояние между частицами наночастиц в пленках, наночастицы должны быть ограничены с лигандом оболочек. После наночастицы были функционализированных лигандов наночастицы обычно остаются в относительно разбавленных суспензий. Техника затем пеEDED самостоятельно собираться наночастиц в макроскопических, высокой плотности, однослойные пленки ^{16, 17.}

Cheng и соавт. ¹⁸ фаза переданы золотые наностержни использованием тиолированного полистирола в смеси вода-тетрагидрофуран суспензии. Наностержни где затем повторно суспендируют в хлороформе и падение помещали на границе раздела воздух-вода и выпаривают медленно, образуя однослойных пленок. Bigioni др.. ¹⁷ создан макроскопические монослоев додекантиол ограничен золотых наносферы с использованием избыточного лиганд и быстрое испарение растворителя, но наносферы должен был быть фаза переносится до самосборки.

После того, как однослойных пленок образованы они, как правило, необходимо транспортировать на подложку. Майя и др.. ³ ограничивается наносферы на границе раздела вода-толуол и перевел их на шаблонных без подложек с помощью поверхностного натяжения градиенты. Точно так же, Джонсон соавт. ⁴ подвесные серебра наносферы в избытке лиганда, а затем переведены наночастиц до стенки флакона с использованием градиентов поверхностного натяжения от двух несмешивающихся жидкостей. В то время как технологии сборки существуют для решения каждой из этих проблем потребность в более эффективных методик, необходимых для оказания помощи в развитии крупного производства наночастиц пленки.

Здесь мы показываем, простой и надежный метод, который сочетает в три вопроса самосборки, описанные выше в к одному "в одном сосуде" техники, как показано на рисунке 1. Смешивается с водой органический растворитель (например, тетрагидрофуран, dimeythl сульфоксидную), используется для первый быстро и эффективно функционализации тиольных лигандов (например, тиол-алкан, тиол-ен, тиол фенол) на наночастиц (например, золотые наносферы, наностержни и т.д.). Затем смесь диски самосборки наночастиц в макроскопическом, высокой плотности, MonolaYer пленки на границе раздела воздух-жидкость с использованием разделения фаз. Наконец, однослойных пленок наночастиц образуют на шаблонных без подложках с использованием поверхностного натяжения градиенты из воды / смеси органических растворителей, рисунках 2 и 3.

протокол

1. Самоорганизующихся монослоев лиганд-наночастиц

В качестве иллюстративного примера техники самосборки, макроскопические, тиоловых-алканов увенчал однослойных пленок золота наносферы производятся следующим образом:

1. Концентрат 15 нм золотые наносферы (имеется в продаже при плотности: 10 ¹² частиц / мл) до ~ 10 ¹³ частиц / мл в воде.
   1. Поместите 15 мл водной суспензии разбавленной наносфер в ультра центробежным фильтром (100 K номинальный молекулярный вес предела).
   2. Центрифуга фильтр / флакон на 4500 мкг в течение 2 мин или до тех пор, лишь немногие мл остаются в камере фильтра.
2. Ресуспендируют наносферу примерно 1 мл деионизированной (ДИ) воды, так что концентрация наночастиц 10 ¹³ частиц / мл. Суспензию стабилен в течение нескольких часов после ресуспендировали в деионизованной воде.
   1. Проверьте плотность номер и подтвердить наночастиц гаве не суммируются. Развести концентрированной суспензии наночастиц с коэффициентом 1:10 назад к исходной концентрации путем размещения 0,150 мл суспензии в кювету (1 см длины пути), и к этому добавляют 1,35 мл дистиллированной воды.
   2. Поместите кювету в спектрометре и Измерить поглощение спектр подвески и оригинальной подвеской. Сравните положение пика и полную ширину на половине максимума для обеспечения агрегации не произошло. Величина пиков поглощения для обоих образцов должна быть примерно такой же, что обеспечивает концентрированный образец плотнее с коэффициентом 10.
3. В отдельном чистый 20 мл флаконе из боросиликатного стекла добавляют 1 мл тетрагидрофурана (ТГФ).
4. Добавить тиол-алкан лиганды (например, 5 мл 1,6-hexanedithiol и 5 мл 1-додекантиола) в ТГФ и встряхивают, чтобы перемешать раствор равномерно. Достаточно лиганд должен быть добавлен, чтобы покрыть, по меньшей мере всей поверхности взвешенных наночастиц. Exceсс лиганд увеличивает скорость и эффективность реакции.
5. В вытяжной шкаф, вылейте содержимое во флакон, содержащий золотые наносферы во флакон с ТГФ-лигандов.
6. Быстро винт на крышке и встряхнуть флакон энергично в течение 15 сек.
7. Снимите крышку и установите пузырек вниз в вытяжной шкаф, рисунке 1 (а). В зависимости от используемых лигандов, домены наночастиц золота пленок быстро сформировать на воздух-жидкость, фиг.1 (с). Пленки начнет переводить вверх по сторонам флакона, Рисунок 1 (г). Почти все наночастицы ограничен с тиольной-лиганд, удаляют из суспензии и транспортируются к сторонам флакона в течение 1 ч, на фиг.1 (е).

2. Перенос монослоев на съемных подложках

1. Для передачи фильмов на съемные стекла и силиконовых вафель субстратов: сократить подложек в область 12,5 мм х 25,4 мм с использованиемскрайбирование ручка / колесо.
   1. Стеклянные поверхности: чистый использованием ацетоновой полоскание, за которым следует изопропиловый спирт полоскания, и, наконец, Д.И. водой смыть. Разрешить подложки, чтобы высохнуть, перейдите к разделу 2.2.
   2. Кремниевой пластины для обработки: в вытяжном шкафу подготовить решение Piranha (3 части концентрированной серной кислоты на 1 часть 30% перекиси водорода, ВНИМАНИЕ: окислителя, агрессивных). Поместите 15 мл серной кислоты в боросиликатного стекла флакон 20 мл. К этому медленно добавляют 5 мл 30% перекиси водорода. Не Закройте флакон крышкой. Будьте осторожны; смесь сильно экзотермической. См. ссылку для получения дополнительной информации о безопасности ^19.
   3. Осторожно погрузите вафли подложек кремния в Piranha решение в течение 30 мин, снять, промыть дистиллированной водой и высушить азотом.
   4. В качестве необязательной стадии, флакон используется для обмена наночастиц лигандом и самосборки могут быть засоленных, чтобы заставить все наночастицы на стеклянную подложку или сиLicon полупроводниковой пластине вместо стенках стеклянного флакона, в противном случае перейти к разделе 2.2.
   5. Заполните стеклянный пузырек с пираньи решения (Внимание: окислителя, агрессивных), см. раздел 2.1.2.
   6. Разрешить флакон, чтобы впитаться в течение 30 мин. Через 30 мин промыть флакон с дистиллированной водой.
   7. Заполните пузырек с 1% объем / объем гексаметилдисилазана в ацетоне и крышки.
   8. Разрешить запечатанный флакон, чтобы впитаться в течение 24 часов, затем смойте дистиллированной водой и высушить азотом.
2. До встряхивании (раздел 1.6) вставить подложку в флаконе. Винт на крышке и дрожания.
3. После встряхивания удалить крышку и, используя пинцет, поместите субстрат почти вертикальную против флакона стене.
4. С помощью пипетки, чтобы покрыть реакционной смеси на подложку. Реакционную останавливается, когда все органический растворитель испарится или все наночастицы были удалены из суспензии.

3. Монослоя Анализ

1. Оценитеупаковка эффективность наносфер в монослое быстро, наблюдая за передачу и отражательные свойства пленки. Осветите монослой на стеклянных подложках сзади с белого света источника. С источника белого света, униформа цвета пленки должны соблюдаться для высокой плотности наночастиц однослойных пленок в передаче и золотом, как отражение наблюдается в отраженном свете, рисунке 2.
2. Используйте спектрометра (см. раздел 1.2.2) для количественной оценки макроскопического спектр поглощения от монослоя, Рисунок 4. Нормализация абсорбции спектр с чистое предметное стекло. Установите однослойную пленку, на стеклянной подложке, в пути луча спектрометра и собирать спектр абсорбции.
   Примечание: Пик поглощение должно быть значительно красное смещение нескольких сотен нанометров в зависимости от используемого лиганда. Добротность пика поглощения должны быть сопоставимы со значением разбавленной суспензии, но незначительно бroadened (рис. 4). Если пик поглощения является очень широким или не определена то однослойных пленок, вероятно, низкого качества, перейдите к разделу 3.3 для дальнейшей характеристики.
3. Изучите наноскопическая организацию наносферы с использованием сканирующей электронной микроскопии (SEM) монослоев переданных на кремниевой пластины субстратов (см. раздел 2.1.2), как показано на рисунке 3. Если фильмы на стеклянных подложках подключения проводящий ленту в один из углов фильма и стер в пьедестале SEM, чтобы предотвратить зарядку и позволить воображение.

4. Эффективное Фаза Передача Техника для органических растворимых наночастиц

1. Чтобы использовать технику в качестве эффективного средства для функционализации наночастиц с тиольных лигандов, декантируют оставшийся раствор из нижней части флакона После того как реакция завершена, раздел 1.7, и сушки материала в ампуле в атмосфере азота.
2. Добавить органический растворитель (например,хлороформ, толуол), чтобы повторно приостанавливать наночастиц с почти 100% фазы частиц передачи и восстановления.
3. Повторите раздел 1.2.1, чтобы обеспечить наночастицы не агрегированы по ресуспендирования в органическом растворителе. Если пик абсорбция доска, по отношению к исходной суспензии, разрушать ультразвуком образца в течение 15 мин, чтобы помочь диспергировать наночастиц, на рисунке 4.

Результаты

На рисунке 1 (а) показывает суспензии золотых наносфер, тиол-алкан лигандов, тетрагидрофурана и воды в стеклянную пробирку сразу после смешивания. Схема из трех основных этапов самосборки, фазовый перенос, разделение фаз и градиент поверхностного натяжения опосредованный тра?...

Обсуждение

Этот протокол описывает одну 'однореакторный' технику самосборки для создания макроскопических наночастиц-лиганд однослойных пленок с использованием фазового перевод, разделение фаз и поверхностного натяжения градиенты. Преимущество этого метода заключается в том, что он сочет...

Материалы

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