Forskere tilbyder ny indsigt i at kontrollere nanopartikelstabilitet

Kemikere fra University of Oregon, der studerer strukturen af ​​ligandstabiliserede guldnanopartikler, har fanget grundlæggende ny indsigt om deres stabilitet. Oplysningerne, de siger, kunne være med til at fastholde en ønsket, integral egenskab i nanopartikler brugt i elektroniske enheder, hvor stabilitet er vigtig, eller at designe dem, så de let kondenserer til tynde film til sådanne ting som blæk eller katalysatorer i elektroniske eller solenergi-enheder.

I et projekt - detaljeret i udgaven af ​​27. november af Journal of Physical Chemistry C -doktorand Beverly L. Smith og James E. Hutchison, som har Lokey-Harrington-stolen i kemi ved UO, analyseret, hvordan nanopartikelstørrelse og molekyler på deres overflader, kaldet ligander, påvirke den strukturelle integritet under stigende temperaturer.

De fokuserede på nanopartikler mindre end to nanometer i diameter - den mindste undersøgt til dato - for bedre at forstå den strukturelle stabilitet af disse små partikler, der er konstrueret til brug i elektronik, medicin og andre materialer. Om en nanopartikel skal forblive stabil eller kondensere afhænger af, hvordan de bliver brugt. De, der bruges som katalysatorer i industriel kemisk behandling eller kvanteprikker til belysning, skal forblive intakte; hvis de er forløbere for belægninger i solenergiapparater eller til trykfarve, nanopartikler skal være ustabile, så de sintrer og kondenserer til en tynd masse.

For deres eksperimenter, Smith og Hutchison producerede guld nanopartikler i fire velkontrollerede størrelser, spænder fra 0,9 nanometer til 1,5 nanometer, og analyserede ligandtab og sintring med termogravimetrisk analyse og differentiel scanningkalorimetri, og undersøgte de resulterende film ved scanningelektronmikroskopi og røntgenfotoelektronspektroskopi. Da nanopartiklerne blev opvarmet til 5 grader Celsius i minuttet, fra stuetemperatur til 600 grader Celsius, nanopartiklerne begyndte at forvandle sig nær 150 grader Celsius.

Forskerne fandt ud af, at mindre nanopartikler har bedre strukturel integritet end større partikler, der er blevet testet. Med andre ord, Hutchison sagde, de er mindre tilbøjelige til at miste deres ligander og binde sammen. "Hvis du har ustabile partikler, så er den ejendom, du ønsker, flygtig, " sagde han. "Enten forringes lysemissionen over tid, og du er færdig, eller metallet bliver inaktivt, og du er færdig. I det tilfælde, du vil bevare funktionen og forhindre partiklerne i at aggregere." Det modsatte er ønsket for Hutchison og andre, der arbejder i det National Science Foundation-finansierede Center for Sustainable Materials Chemistry, et samarbejde mellem flere universiteter ledet af UO og Oregon State University. Forskere der syntetiserer nanopartikler som forstadier til tynde film.

"Vi ønsker løsningsforløbere, der kan føre til uorganiske tynde film til brug i elektronik- og solcelleindustrien, " sagde Hutchison, som også er medlem af UO Materials Science Institute.

"I dette tilfælde, vi vil vide, hvordan vi holder vores nanopartikler eller andre forstadier stabile nok i opløsning, så vi kan arbejde med dem, bruger kun en lille smule ekstra energi til at gøre dem ustabile, så de kondenserer til en film - hvor den egenskab, du ønsker, kommer fra det udvidede faste stof, der genereres, ikke fra nanopartiklerne selv."

Forskningen, Hutchison sagde, identificerede svage steder på nanopartikler, hvor ligander kan springe af. Hvis kun en lille mængde gør det, han sagde, separate nanopartikler er mere tilbøjelige til at komme sammen og begynde sintringsprocessen for at skabe tynde film.

"Det er en virkelig stabiliserende effekt, på tur, sparker alle disse ligander ud på ydersiden, " sagde han. "Overfladearealet falder hurtigt, og partiklerne bliver større, men nu bliver alle de ekstra ligander ekskluderet i filmen og derefter over tid, liganderne fordamper og forsvinder."

At gå fra hinanden, imidlertid, er en "katastrofal fiasko", hvis beskyttelse mod sintring er målet. Det kan være muligt at bruge resultaterne, han sagde, at udforske måder at styrke nanopartikler, såsom udvikling af ligander, der binder på mindst to steder eller undgåelse af flygtige ligander.

Processen, som studeret, produceret porøse guldfilm. "Et næste skridt kan være at studere, hvordan man manipulerer processen for at få en mere tæt film, hvis det ønskes, " sagde Hutchison. At forstå, hvordan nanopartikler reagerer på visse forhold, såsom skiftende temperaturer, han tilføjede, kan hjælpe forskere med at reducere spild i fremstillingsprocessen.

"Forskere ved University of Oregon rekonstruerer videnskaben, fremstilling og forretningsprocesser bag kritiske produkter, " sagde Kimberly Andrews Espy, vicepræsident for forskning og innovation og dekan for UO Graduate School. "Denne forskning, der analyserer den strukturelle stabilitet af nanopartikler af Dr. Hutchison og hans team har potentialet til at forbedre teknikken af ​​elektronik, medicin og andre materialer, hjælper med at fremme en bæredygtig fremtid for vores planet og dens mennesker."

Smith, avisens hovedforfatter, modtog en kandidatgrad i kemi i 2009 fra UO. Hun er nu doktorand i Hutchisons laboratorium. I de indledende faser af forskningen, hun blev støttet af NSF's Integrative Graduate Education and Research Traineeship (IGERT) program. Finansiering fra Air Force Research Laboratory (tilskud nr. FA8650-05-1-5041) til Hutchison støttede også forskningen.

Hutchison er også medlem af både Oregon Nanoscience and Microtechnologies Institute (ONAMI) og Oregon BEST (Oregon Built Environment &Sustainable Technologies Center), som er statslige signaturforskningsinitiativer.