Name: a technique to functionalize and self-assemble macroscopic nanoparticle-ligand monolayer films onto template-free substrates
Uploaded: 2014-05-09T19:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Technique to Functionalize and Self-assemble Macroscopic Nanoparticle-ligand Monolayer Films onto Template-free Substrates at JoVE.com

Diese Arbeit wurde mit Mitteln aus dem Office of Naval Research vorgesehen ist. J. Fontana erkennt die National Research Council für ein Postdoc-Teilhaberschaft.

1. Selbstorganisierte Ligand-Nanopartikel-Monoschichten Als ein erläuterndes Beispiel für die Selbstmontage-Technik, makroskopischen, Thiol-Gold-Nanokugel verschlossen Alkanmonoschichten werden wie folgt hergestellt: <ol><li> Konzentrat 15 nm Gold-Nanokugeln (bei ​​einer Teilchendichte im Handel erhältlich: 10 12 Partikel / ml) auf ~ 10 13 Partikeln / ml in Wasser. <ol><li> Platz 15 ml der verdünnten Nanokugel-Wasser-Suspension in einem Ultrafilterzentrifuge (...

<ol>
	<li>Fontana, J., Naciri, J., Rendell, R., Ratna, B. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Macroscopic+self-assembly+and+optical+characterization+of+nanoparticle&#8211;ligand+metamaterials.">Macroscopic self-assembly and optical characterization of nanoparticle&#8211;ligand metamaterials.</a> Advanced Optical Materials. 1, 100-106 (2013).</li><li>Fontana, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large+surface-enhanced+Raman+scattering+from+self-assembled+gold+nanosphere+monolayers.">Large surface-enhanced Raman scattering from self-assembled gold nanosphere monolayers.</a> Applied Physics Letters. 102, (2013).</li><li>Mayya, K. S., Sastry, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+technique+for+the+spontaneous+growth+of+colloidal+nanoparticle+superlattices.">A new technique for the spontaneous growth of colloidal nanoparticle superlattices.</a> Langmuir. 15, 1902-1904 (1999).</li><li>Spain, E. M., Johnson, D. D., Kang, B., Vigorita, J. L., Amram, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Marangoni+flow+of+Ag+nanoparticles+from+the+fluid-fluid+interface.">Marangoni flow of Ag nanoparticles from the fluid-fluid interface.</a> J Phys Chem A. 112, 9318-9323 (2008).</li><li>Sihvola, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metamaterials:+A+Personal+View.">Metamaterials: A Personal View.</a> Radioengineering. 18, 90-94 (2009).</li><li>Valentine, J., Li, J. S., Zentgraf, T., Bartal, G., Zhang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+optical+cloak+made+of+dielectrics.">An optical cloak made of dielectrics.</a> Nature Materials. 8, 568-571 (2009).</li><li>Seo, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Double+hydrophilic+block+copolymer+templated+Au+nanoparticles+with+enhanced+catalytic+activity+toward+nitroarene+reduction.">Double hydrophilic block copolymer templated Au nanoparticles with enhanced catalytic activity toward nitroarene reduction.</a> The Journal of Physical Chemistry C. , (2013).</li><li>Ward, D. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simultaneous+measurements+of+electronic+conduction+and+Raman+response+in+molecular+junctions.">Simultaneous measurements of electronic conduction and Raman response in molecular junctions.</a> Nano Letters. 8, 919-924 (2008).</li><li>Perez-Gonzalez, O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+Spectroscopy+of+Conductive+Junctions+in+Plasmonic+Cavities.">Optical Spectroscopy of Conductive Junctions in Plasmonic Cavities.</a> Nano Letters. 10, 3090-3095 (2010).</li><li>Xiao, S. M., Chettiar, U. K., Kildishev, A. V., Drachev, V. P., Shalaev, V. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Yellow-light+negative-index+metamaterials.">Yellow-light negative-index metamaterials.</a> Optics Letters. 34, 3478-3480 (2009).</li><li>Fang, N., Lee, H., Sun, C., Zhang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sub-diffraction-limited+optical+imaging+with+a+silver+superlens.">Sub-diffraction-limited optical imaging with a silver superlens.</a> Science. 308, (2005).</li><li>Liu, Z. W., Lee, H., Xiong, Y., Sun, C., Zhang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Far-field+optical+hyperlens+magnifying+sub-diffraction-limited+objects.">Far-field optical hyperlens magnifying sub-diffraction-limited objects.</a> Science. 315, 1686-1686 (2007).</li><li>Valentine, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+optical+metamaterial+with+a+negative+refractive+index.">Three-dimensional optical metamaterial with a negative refractive index.</a> Nature. 455, (2008).</li><li>Law, M., Greene, L. E., Johnson, J. C., Saykally, R., Yang, P. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanowire+dye-sensitized+solar+cells.">Nanowire dye-sensitized solar cells.</a> Nature Materials. 4, 455-459 (2005).</li><li>Frens, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlled+Nucleation+for+Regulation+of+Particle-Size+in+Monodisperse+Gold+Suspensions.">Controlled Nucleation for Regulation of Particle-Size in Monodisperse Gold Suspensions.</a> Nature-Phys Sci. 241, 20-22 (1973).</li><li>Ye, X., Chen, J., Diroll, B. T., Murray, C. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tunable+Plasmonic+Coupling+in+Self-Assembled+Binary+Nanocrystal+Superlattices+Studied+by+Correlated+Optical+Microspectrophotometry+and+Electron+Microscopy.">Tunable Plasmonic Coupling in Self-Assembled Binary Nanocrystal Superlattices Studied by Correlated Optical Microspectrophotometry and Electron Microscopy.</a> Nano Letters. 13, 1291-1297 (2013).</li><li>Bigioni, T. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Kinetically+driven+self-assembly+of+highly+ordered+nanoparticle+monolayers.">Kinetically driven self-assembly of highly ordered nanoparticle monolayers.</a> Nature Materials. 5, (2006).</li><li>Ng, K. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Free-Standing+Plasmonic-Nanorod+Super+lattice+Sheets.">Free-Standing Plasmonic-Nanorod Super lattice Sheets.</a> Acs Nano. 6, 925-934 (2012).</li><li>Romero, I., Aizpurua, J., Bryant, G. W., de Abajo, F. J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasmons+in+nearly+touching+metallic+nanoparticles:+singular+response+in+the+limit+of+touching+dimers.">Plasmons in nearly touching metallic nanoparticles: singular response in the limit of touching dimers.</a> Optics Express. 14, 9988-9999 (2006).</li><li>Caragheorgheopol, A., Chechik, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanistic+aspects+of+ligand+exchange+in+Au+nanoparticles.">Mechanistic aspects of ligand exchange in Au nanoparticles.</a> Physical Chemistry Chemical Physics. 10, 5029-5041 (2008).</li></ol>

Dieses Protokoll beschreibt eine einzige &quot;Ein-Topf&quot; Selbstmontagetechnik zu makroskopischen Nanopartikel-Liganden-Monoschichten mit Phasentransfer-, Phasentrennung und Oberflächenspannung Gradienten erstellen. Der Vorteil dieser Technik ist, dass sie kombiniert drei Selbstorganisation in einem einzigen, kostengünstigen Prozess; durch schnell und effizient Phasen Übertragen der Nanopartikel, die Montage der Partikel in Monoschichten an der Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche und Transportieren der Monoschichten ...

Die Selbstorganisation von makroskopischen Nanoteilchenfilme hat große Aufmerksamkeit für ihre einzigartigen Eigenschaften aus der Geometrie und Zusammensetzung der Elemente 5 bestimmt zogen und kann zu einer Vielzahl von optischen, elektronischen und chemischen Anwendungen 6-14 führen. Um Selbstorganisation solcher Filme metallischen Nanopartikeln mit Liganden begrenzt sind zu hohe Dichte, Monoschichten verpackt werden. Jedoch mehrere Montage Fragen müssen angegangen, um die Entwicklung solcher Materialien voranzubringen. Zunächst stabilisiert Tensid metallische Nanopartikel werden in der Regel durch nasschemische Verfahren in verdünnten Suspensionen 15 synthetisiert. Um die Aggregation zu verhindern und die interpartikuläre Abstand der Nanopartikel in den Filmen zu steuern, müssen die Nanopartikel mit Ligandenhüllen begrenzt. Nachdem die Nanopartikel mit Liganden funktionalisiert wurden die Nanopartikel in der Regel bleiben relativ verdünnte Suspensionen. Eine Technik ist dann neEDED zur Selbstorganisation der Nanopartikel in makroskopischen, High-Density-, Monoschichten 16, 17. Cheng et al. Phase über 18 Gold-Nanostäbchen mit thiolierte Polystyrol in einem Wasser-Tetrahydrofuran-Suspension. Die Stäbchen wurden dann in Chloroform wieder suspendiert und ein Tropfen wurde bei einem Luft-Wasser-Grenzfläche eingebracht und langsam verdampft und bilden Monoschichten. 17 erstellt Bigioni et al. Makroskopischen Monoschichten aus Dodecanthiol bedeckten Goldnanokugeln mit überschüssigen Liganden und schnelle Lösungsmittelverdampfung, aber die Nanokugeln benötigt, um Phase vor der Selbstorganisation übertragen werden. Wenn die Monoschichten gebildet werden, die sie benötigen typischerweise auf ein Substrat transportiert werden. Mayya et al. 3 beschränkt Nanokügelchen in einer Wasser-Toluol-Schnittstelle und übertragen sie auf Vorlage freie Substrate mit Oberflächenspannung Steigungen. Ebenso Johnson <em&gt; et al. 4 aufgehängt Silber-Nanokugeln von mehr Ligand und dann übersetzt die Nanopartikel die Wände des Gefäßes mit Oberflächenspannung Gradienten aus zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten. Während Montagetechniken existieren, um jede dieser Fragen die Notwendigkeit effizienter Techniken ist notwendig, um bei der Entwicklung von großen Nanopartikel Filmproduktionsförderung anzugehen. Hier zeigen wir ein einfaches und robustes Verfahren, das die drei oben beschriebenen Selbstorganisationsfragen zu einem einzigen &quot;Eintopf&quot;-Technik, die in Fig. 1 gezeigt kombiniert. Einem wassermischbaren organischen Lösungsmittel (z. B. Tetrahydrofuran, Dimethylsulfoxid dimeythl), wird verwendet, zunächst schnell und effizient Thiol-Liganden (z. B. Thiol-Alkan-, Thiol-En-Thiol-phenol) funktionalisieren auf den Nanopartikeln (z. B. Gold-Nanokugeln, Nanostäbchen, etc.). Man steuert dann die Selbstorganisation der Nanopartikel in makroskopische hoher Dichte, Monolayer Filmen an der Luft-Flüssigkeit-Schnittstelle mit Phasentrennung. Schließlich Monoschichten der Nanopartikel bilden auf templatfreien Substraten unter Verwendung von Gradienten der Oberflächenspannung des Wassers / organischen Lösungsmittelgemisch, Fig. 2 und Fig. 3.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="628">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:224px;">1-6 hexanedithiol</td>
			<td style="width:97px;">Sigma</td>
			<td style="width:140px;">H12005-5G</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:224px;">1-dodecanethiol</td>
			<td style="width:97px;">Sigma</td>
			<td style="width:140px;">471364-100ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:224px;">20 ml liquid scintillation vials</td>
			<td style="width:97px;">Sigma</td>
			<td style="width:140px;">Z253081-1PAK</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="24">
			<td height="24" style="height:25px;width:224px;">acetone</td>
			<td style="width:97px;">Sigma</td>
			<td>650501-1L</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="24">
			<td height="24" style="height:24px;width:224px;">amicon ultra-15 centrifugal filter&#160;</td>
			<td style="width:97px;">Millipore</td>
			<td style="width:140px;">100K</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:224px;">centrifuge</td>
			<td style="width:97px;">Sorvall&#160;</td>
			<td style="width:140px;">RC5B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:224px;">centrifuge&#160;</td>
			<td style="width:97px;">Eppendorf</td>
			<td style="width:140px;">5810R</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:224px;">deionized water&#160;</td>
			<td style="width:97px;">in-house&#39;</td>
			<td style="width:140px;">N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="24">
			<td height="24" style="height:25px;width:224px;">glass slides</td>
			<td style="width:97px;">Sigma</td>
			<td style="width:140px;">CLS294875X25-72EA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="24">
			<td height="24" style="height:24px;width:224px;">15 nm gold nanospheres</td>
			<td style="width:97px;">Ted Pella, Inc</td>
			<td style="width:140px;">15703-1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:224px;">hexamethyldisilazane</td>
			<td style="width:97px;">Sigma</td>
			<td style="width:140px;">52619-50ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:224px;">hydrogen peroxide (30%)</td>
			<td style="width:97px;">Sigma</td>
			<td style="width:140px;">216763-100ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:224px;">scanning electron microscope</td>
			<td style="width:97px;">Carl Zeiss</td>
			<td style="width:140px;">Model 55</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:224px;">polished silicon wafer</td>
			<td style="width:97px;">Sun Edison</td>
			<td style="width:140px;">N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:224px;">spectrometer</td>
			<td style="width:97px;">OceanOptics</td>
			<td style="width:140px;">USB4000-VIS-NIR</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:224px;">sulfuric acid</td>
			<td style="width:97px;">Fisher</td>
			<td style="width:140px;">A300-212</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:224px;">tetrahydrofuran</td>
			<td style="width:97px;">Sigma</td>
			<td style="width:140px;">401757-100ML</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a technique to functionalize and self-assemble macroscopic nanoparticle-ligand monolayer films onto template-free substrates

Dieses Protokoll beschreibt einen Selbstmontagetechnik makroskopische Monoschichten von Liganden-beschichteten Nanopartikel 1, 2 zusammensetzt. Die einfache, robuste und skalierbare Technik effizient funktionalisiert metallischen Nanopartikeln mit Thiol-Liganden in einem mischbaren Wasser / organischen Lösungsmittelgemisch ermöglicht eine schnelle Transplantation von Thiolgruppen auf die Goldnanopartikeloberfläche. Die hydrophoben Liganden auf die Nanopartikel dann schnell Phase zu trennen, die Nanopartikel aus der Suspension auf Wasserbasis und gänzlich in der Luft-Fluid-Grenzfläche. Dies treibt die ligandenstabilisierte Nanopartikel Monodomänen an der Luft-Flüssigkeitsgrenzfläche zu bilden. Die Verwendung von mit Wasser mischbaren organischen Lösungsmittel ist wichtig, da sie ermöglicht den Transport der Nanopartikel von der Schnittstelle auf templatfreien Substraten. Die Strömung wird durch einen Gradienten der Oberflächenspannung 3, 4 vermittelt und erzeugt makroskopisch hoher Dichte, Mono NanOpArtikel-Ligand-Filme. Diese Selbstmontagetechnik kann verallgemeinert werden, um die Verwendung von Teilchen unterschiedlicher Zusammensetzungen, Größe umfassen, und Form und kann zu einer effizienten Montageverfahren führen zu günstigen makroskopischen hoher Dichte, Mono Nanoteilchenfilme für weit verbreitete Anwendungen herzustellen .

Fig. 1 (a) zeigt eine Suspension von Goldnanokügelchen, Thiol-Alkan-Liganden, Tetrahydrofuran und Wasser in einem Glasfläschchen unmittelbar nach dem Mischen. Eine schematische Darstellung der drei Hauptselbstorganisationsstufen, Phasentransfer, Phasentrennung, und die Gradienten der Oberflächenspannung vermittelte Filmtransport ist in Fig. 1 (b) gezeigt, wie eine erweiterte Ansicht an der Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche in der Nähe der Seite der Ampulle. <p class="jove_content"...

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A Technique to Functionalize and Self-assemble Macroscopic Nanoparticle-ligand Monolayer Films onto Template-free Substrates

Eine einfache, robuste und skalierbare Technik, um auf Vorlage freie Substrate zu funktionalisieren und Selbstorganisation makroskopischer Nanopartikel-Liganden-Monoschichten wird in diesem Protokoll beschrieben.

Eine Technik, um auf Vorlage freie Substrate zu funktionalisieren und Selbstorganisation makroskopische Nanopartikel-Liganden-Monolayer Films

This protocol describes a self-assembly technique to create macroscopic monolayer films composed of ligand-coated nanoparticles1,2. The simple, robust and ...

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