Şablon-ücretsiz Substratlarm üzerine makroskobik Nanoparçacık-ligand tabakalı Filmler işlevselleştirmek ve Öz-montajı A Tekniği

Özet

Şablon ücretsiz zeminler üzerine makroskobik nanoparçacık-ligand tek katmanlı filmler işlevselleştirmek ve kendine monte Basit, sağlam ve ölçeklenebilir tekniği bu protokol açıklanmıştır.

Özet

Bu protokol ligand kaplı nanopartiküller ^{1, 2} oluşan makroskopik tek tabakalı filmler oluşturmak için bir öz-montaj tekniği anlatılmaktadır. Basit, dayanıklı ve etkili bir şekilde ölçeklenebilir teknik altın nanopartikül yüzey üzerine tiyol gruplarının hızlı bir aşılama için izin veren bir karışabilir bir su / organik çözücü karışımı içinde tiol ligandlarla metal nanopartiküller functionalizes. Nanopartiküller üzerinde hidrofobik ligandlar, daha sonra hızlı bir faz, sulu süspansiyondan göre nano-tanecikleri ayırmak ve hava-sıvı arayüzü bunları sınırlandırmak. Bu, hava-sıvı arayüzü de tek tabakalı etki oluşturmak için ligand kaplı nanopartiküller tahrik eder. Bu şablon içermeyen alt-tabakalar üzerine arabiriminden nanopartiküllerin taşınmasını sağlayan gibi suda karışabilen organik çözücülerin kullanılması önemlidir. Akış, bir yüzey gerilimi gradyan ^{3, 4} aracılığı ile ve makroskopik olarak, yüksek yoğunluklu, tek tabaka nanop oluştururmadde-ligand filmler. Bu kendi kendine montaj tekniği farklı bileşimler, büyüklükteki parçacıkların kullanımını içerir, ve şekil ve yaygın uygulamalar için düşük maliyetli, makroskopik olarak, yüksek yoğunluklu, tek tabaka nanoparçacık filmler üretmek için etkili bir montaj yönteminin yol açabilir genelleştirilebilir .

Giriş

Makroskopik nanoparçacık filmlerin kendi montaj elemanlarının ^5, geometri ve bileşimden belirlenen eşsiz özellikleri için büyük ilgi ve optik, elektronik ve kimyasal uygulamaların ^6-14 geniş bir yol açabilir. Kendini düzenler, bu tür filmler için ligandlar ile kaplı metalik nanopartiküllerin Yüksek yoğunlukta, tek katmanlar halinde paketlenmiş olmalıdır. Ancak çeşitli montaj gibi konular malzemelerin gelişimini ilerletmek için ele alınması gerekmektedir.

İlk olarak, yüzey aktif metal nanopartiküller tipik olarak seyreltilmiş süspansiyonlar ¹⁵ ıslak-kimya yöntemleri ile sentezlenir stabilize. Toplanmasını önlemek ve filmlerde nanopartiküllerin-arası aralığı kontrol etmek için, nanopartiküller ligand kabukları ile kapatılmış olması gerekir. Nanotanecikler, ligandlar ile işlevselleştirilmiş sonra nanopartiküller tipik olarak nispeten seyreltik süspansiyon içinde kalır. Bir teknik daha sonra ne olduğunueded için makroskopik olarak, yüksek yoğunluklu, tek katmanlı filmler ^{16, 17} içine nano-tanecikleri kendi kendine bir araya getirin.

Cheng ve ark. ¹⁸ faz, bir su-tetrahidrofuran süspansiyon içinde tiollenmektedir polistiren kullanılarak altın çubuklar aktarılır. Daha sonra kloroform içinde yeniden süspansiyon haline getirildi ve bir damla, bir hava-su ara yüzeyinde yerleştirilmiş ve nanorods tek tabakalı filmlerin meydana getirilmesine, yavaş yavaş buharlaştırılmıştır. Bigioni et al. ¹⁷ fazla ligand ve hızlı solvent buharlaştırma kullanılarak dodekantiolün kaplı altın nanoküre makroskopik tek tabakaları oluşturulur, ancak nanosferler kendini montaj öncesinde faz transfer olması gerekiyordu.

Tek tabakalı film oluşturulduktan sonra tipik olarak, bir alt-tabaka üzerine taşınması gerekmektedir. Mayya vd. ³ su-toluen arayüzünde nanosferler sınırlı ve yüzey gerilimi gradyanlarla şablon serbest yüzeylerde üzerine onları transfer. Benzer şekilde, Johnson et al. daha sonra ⁴ süspanse gümüş fazla ligand nanosferler ve iki karışmayan sıvılardan yüzey gerilimi gradyanları kullanılarak şişenin duvarları nanopartiküller kadar çevrilmiştir. Montaj teknikleri daha verimli teknikleri için ihtiyaç büyük ölçekli nanoparçacık film üretiminin geliştirilmesine yardımcı olmak tabi bu konuların her adrese var iken.

Burada, Şekil 1 'de gösterilen tek bir' tek-kap 'tekniği için, yukarıda açıklanan üç öz montaj sorunları birleştiren basit ve sağlam bir tekniği göstermektedir. Bir su ile karışabilen bir organik çözücü (örneğin, tetrahidrofuran, dimeythl sülfoksit) için kullanılır İlk hızla ve verimli bir şekilde nanopartiküllerin (örneğin altın nanosferler nanoçubuklar, vb) üzerine tiol-ligandları (örneğin, tiol-alkan, tiol-ene, tiol-fenol) işlevselleştirilmesi. Karışım daha sonra makroskopik, yüksek yoğunluklu, Monola içine nanopartiküllerinin kendini montaj sürücülerhava-sıvı arayüzünde Haber ve filmler faz ayırma yöntemi. Son olarak, nanopartiküller tek tabakalı filmleri su / organik çözücü karışımı, Şekil 2 ve Şekil 3 ikinci yüzey gerilimi gradyanları kullanılarak şablon içermeyen alt-tabakalar üzerine oluşturur.

Protokol

1.. Kendinden monte Ligand-nanoparçacık Tektabakalar

Aşağıdaki gibi makroskopik, tiol-alkan kaplı altın nanoküre tek-tabakalı filmler üretilmektedir kendini montaj tekniği, açıklayıcı bir örnek olarak:

1. Su için ~ 10 ¹³ parçacık / ml (10 ¹² parçacık / ml yoğunluğunda bir dizi ticari olarak temin edilebilir) 15 nm altın nanosferler konsantre edin.
   1. Ultra santrifüj filtre (100 K nominal moleküler ağırlık sınırı) içine inceltilmiş Nanokürecikli su süspansiyonu 15 ml yerleştirin.
   2. Sadece bir kaç mi filtre odası içinde kalıncaya kadar 2 dakika boyunca 4500 x g'de filtre / santrifüj veya şişe.
2. Deiyonize (Dİ) su, yaklaşık olarak 1 ml nanoküre yeniden süspanse nanopartikül konsantrasyonu 10 ¹³ partikül / ml olduğu şekildedir. Süspansiyon, bir kez DI su içinde yeniden süspansiyon haline getirildi, birkaç saat boyunca stabildir.
   1. Sayı yoğunluğu olun ve nanopartiküller ha onaylamaktoplanmaz ettik. , Bir küvet (1 cm yol uzunluğu) içine süspansiyonu 0.150 ml yerleştirerek özgün konsantrasyonuna 1:10 'luk bir faktörle konsantre edilir nanopartikül süspansiyon seyreltin ve bu DI su 1.35 ml.
   2. Bir spektrometreye küvet yerleştirin ve süspansiyon ve orijinal süspansiyonun absorbans spektrumunun ölçülmesi. Toplama meydana henüz sağlamak için yarı maksimum pik konumu ve tam genişliğini karşılaştırın. Her iki numune için absorbans piklerinin büyüklüğü bu nedenle konsantre örnek 10 bir faktörle daha yoğun olması sağlanmış, yaklaşık olarak aynı olmalıdır.
3. Ayrı bir temiz 20 ml borosilikat cam şişe içinde tetrahidrofuran (THF) içinde 1 ml.
4. THF için tiol-alkan ligandlar (1,6-heksanditiol ve 5 ml 1-dodekantiolün örneğin 5 mi) ilave edilir ve homojen bir çözelti karıştırmak için çalkalanır. Yeterli ligand süspansiyon nanopartiküllerin, en azından bütün yüzey alanı kapsayacak şekilde eklenmelidir. Excess ligand hız ve reaksiyonun etkinliğini arttırır.
5. Bir duman başlığı içinde, THF-ligandların şişe içine altın nanosferler içeren şişenin içeriğini dökün.
6. Çabuk kapağındaki vida ve 15 saniye boyunca kuvvetlice şişeyi sallayın.
7. Kapağı çıkarın ve davlumbaz, Şekil 1 aşağı flakon set (a). Kullanılan ligand bağlı olarak, altın nano partiküler filmlerin alanları hızlı bir hava-sıvı arayüzü, Şekil 1 (c) de oluşturmaktadır. Filmler daha sonra 1 (d) Şekil, şişe kenarlarını yukarı çevirmek başlayacaktır. Neredeyse tüm nanopartiküller süspansiyondan çıkarıldı tiol-ligandı ile kapatıldı ve 1 saat, Şekil 1 (e) içinde şişenin yanlarına taşınmaktadır.

2.. Çıkarılabilir alt-tabakalar üzerine aktarılması mono tabakalar

1. Çıkarılabilir cam ve silikon yonga substratlar üzerine filmler aktarmak için: using x 25.4 mm 12.5 mm bir alana tabakaları kestiscribing kalem / tekerlek.
   1. Cam yüzeyler: Temiz bir izopropil alkol durulama ardından bir aseton durulama, ve nihayet bir DI su durulama kullanarak. Bölüm 2.2 geçin, substratlar kurumasını bekleyin.
   2. Silikon Gofret Elyaf: bir çeker ocak içinde Piranha çözeltisi (: bir oksitleyici, aşındırıcı 3 parça 1 parça% 30 hidrojen peroksit, DİKKAT konsantre sülfürik asit) hazırlar. 20 ml borosilikat cam şişe içinde sülfürik asit 15 ml yerleştirin. Bu yavaş yavaş% 30 hidrojen peroksit 5 ml ekleyin. Şişe kapağı etme. Dikkatli kullanın; Karışım son derece ekzotermiktir. Daha fazla güvenlik bilgisi için ¹⁹ başvuru bakın.
   3. Dikkatle, 30 dakika boyunca Piranha çözeltisi içine daldırılması silikon gofret tabakaları kaldırmak DI su ve kuru azot ile yıkayın.
   4. Tercihe bağlı bir adım olarak, nanoparçacık ligand değiş-tokuşu ve kendini montaj için kullanılan şişe cam alt-tabaka ya da si üzerine tüm nanopartiküller zorlamak için Tuzlu edilebilirLicon yerine cam şişenin duvarlarının Gofretlerin aksi bölümüne 2.2 geçin.
   5. Piranha çözüm (DİKKAT: oksitleyici, aşındırıcı) ile cam şişeyi dolduracak, bölüm 2.1.2 bakın.
   6. Viyal 30 dakika için ıslanmaya izin verin. 30 dakika sonra DI su ile şişeyi yıkayın.
   7. Aseton ve kap içinde heksametildisilazan ve% 1 v / v ile şişe doldurun.
   8. Kapalı bir şişe, DI su ve kuru azot ile yıkayın, sonra 24 saat için ıslanmaya izin verin.
2. Önceki (bölüm 1.6) sallayarak şişenin içine tabakayı yerleştirin. Kapak ve titremesi üzerine vidalayın.
3. Sallayarak sonra kapağı kaldırıp, cımbız kullanarak, şişe duvara neredeyse dikey tabakayı yerleştirin.
4. Substrat üzerine kaplamak, reaksiyon karışımı için bir pipet kullanın. Tüm organik çözücü buharlaştıktan veya tüm nanopartikül süspansiyondan kaldırılmış zaman reaksiyon durur.

3.. Tek tabakalı Analizi

1. Tahminiiletim ve filmin yansıtma özelliklerinin gözlenmesiyle hızlı bir tek tabaka içinde nanoküre etkinliğini ambalaj. Bir beyaz ışık kaynağı ile arkadan cam alt-tabakalar üzerinde tek tabaka aydınlatır. Beyaz bir ışık kaynağı ile, homojen bir renklendirilmiş film iletim ve yansıtma, Şekil 2'de görülen bir altın gibi yansıma olarak yüksek yoğunluklu bir nanoparçacık tek tabaka filmlerinin gözlenmelidir.
2. Monokatmanlardan makroskopik absorbans spektrumunun ölçmek için bir spektrometre (bölüm 1.2.2 bakınız) kullanın, Şekil 4. Temiz bir cam slayt ile absorbans spektrumunun Normale. Spektrometrenin ışın yoluna, bir cam alt-tabaka üzerinde, tek tabakalı bir film monte edin ve absorbans spektrumunun toplar.
   Not: emme zirve kullanılan ligand bağlı olarak büyük kırmızı-kaydırılmış birkaç yüz nanometre olmalıdır. Soğurma tepe noktasının kalitesi faktörü seyreltik süspansiyon değerine benzer, ama sadece biraz b olmalıdırroadened (Şekil 4). Absorbans zirve çok geniş ya da iyi tanımlanmış değilse, o zaman tek tabakalı filmlerin karakterizasyonu için bölüm 3.3 geçin, kalitesiz muhtemelen.
3. Şekil 3'te gösterildiği gibi, (bakınız bölüm 2.1.2) silikon yonga substratlar üzerine transfer edilmiş mono tabakaların taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak nanoküre Ortaölçek organizasyonunu inceler. Filmler, cam alt-tabakalar üzerinde ise filmin bir köşesine iletken bant bağlanmak ve yüklenmeyi önlemek ve görüntüleme izin SEM kaide onu toprağa.

Organik Çözünür Nanopartiküller boyunca 4. Etkili Faz Transfer Tekniği

1. Tepkimeden sonra şişenin tabanından kalan çözelti süzün, tiol-ligandları ile nanopartiküller işlevselleştirilmesi için etkili bir araç olarak kullanmak için bir teknik tamamlandığında, bölüm 1.7, ve azot altında şişede malzemeyi kurutur.
2. Bir organik çözücü ekleme (örneğin,kloroform, yaklaşık% 100 parçacık faz transferi ve kurtarma ile nano-tanecikleri yeniden askıya almak için toluen).
3. Nanopartiküller organik çözücü içine yeniden süspansiyon üzerine toplanan olmayan sağlamak için bölüm 1.2.1 tekrarlayın. Absorbans doruk orijinal süspansiyona göreli tahta, ise, nano-tanecikleri, Şekil 4 yeniden dağıtması için, 15 dakika için örnek sonikasyon.

Sonuçlar

Şekil 1 (a) hemen karıştırıldıktan sonra altın nanoküre, tiol-alkan ligand, tetrahidrofuran ve bir cam şişe içinde, su içinde bir süspansiyonu gösterir. Bir üç ana kendini montaj aşamalarının şematik, faz transferi, faz ayırma ve yüzey gerilimi degrade ettiği bir film taşıma, Şekil 1 'de gösterilmiştir (b) şişenin yan tarafına yakın hava-sıvı arayüzü genişletilmiş bir görünüm olarak.

Ligandların ...

Tartışmalar

Bu protokol faz transferi, faz ayrılması ve yüzey gerilimi gradyanlarla makroskobik nanoparçacık-ligand tek tabaka filmler oluşturmak için tek bir 'tek-pot' öz-montaj tekniği anlatılmaktadır. Bu tekniğin avantajı, tek bir, düşük maliyetli sürecine üç öz-montaj süreçlerini birleştiren olduğunu; hızlı ve verimli olarak, nanopartiküller aktarma hava-sıvı arayüzünde tek katmanlarının içine parçacıkların montaj ve şablon içermeyen alt-tabakalar üzerine tek tabaka filmleri taş?...

Malzemeler

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