Elektronmikroskopi af dannelse af nanopartikel-supergitter ved en fast-væske-grænseflade i upolære væsker

Nanopartikelsuperlattfilm, der dannes ved fast-væske-grænsefladen, er vigtige for mesoskala-materialer, men er udfordrende at analysere ved dannelsens begyndelse ved en fast-væske-grænseflade. I en ny rapport om Videnskab fremskridt , E. Cepeda-Perez og et forskerhold inden for materialer, fysik og kemi i Tyskland studerede de tidlige stadier af nanopartikelsamling ved fast-væske-grænseflader ved hjælp af flydende fase elektronmikroskopi. De observerede oleylamin-stabiliserede guldnanopartikler til spontant at danne tynde lag på et siliciumnitridmembranvindue i væskekapslet. I det første enkeltlag, forsamlingen bevarede tætte pakninger med sekskantet symmetri uafhængigt af den ikke -polære opløsningsmiddeltype. Det andet lag viste geometrier lige fra tæt pakning i en sekskantet bikagestruktur til kvasi-krystallinske partikelarrangementer-baseret på væskens dielektriske konstant. De komplekse strukturer lavet af svagere interaktioner forblev bevaret, mens overfladen forblev nedsænket i væske. Ved at finjustere egenskaberne af materialer, der er involveret i nanopartikels supergitterdannelse, Cepeda-Perez et al. kontrollerede den tredimensionelle (3-D) geometri af et supergitter, herunder kvasi-krystaller (en ny tilstand).

Nanopartikler, der er tæt pakket i to eller tre dimensioner, kan danne regelmæssige arrays af nanopartikelsuperlatter. For eksempel, halvlederpartikel superlattices kan fungere som "meta" halvledere, når de dopes med partikler for at danne nye mesoskala materialer, mens plasmoniske partikler i tætte supergitter kan danne par for at danne kollektive tilstande med vinkelafhængige og afstembare bølgelængdereaktioner. Store elektriske felter kan forekomme mellem sådanne partikler til overfladeforbedret Raman-spektroskopi. Supergitter kan udvikles ved væske-væske, gas-væske og fast-væske grænseflader, hvor statiske og dynamiske interaktioner mellem partikelsubstrat, partikel-partikel og partikel-væske-interaktioner kan diktere strukturen af ​​supergitter. Imidlertid, det er fortsat svært at forudsige sådanne strukturer på forhånd. For eksempel, simulering af samling af supergitter i flere faser er endnu ikke mulig, med meget lidt real-space data i laboratoriet til rådighed til modellering. Det er derfor udfordrende at indsamle eksperimentel indsigt i grundlæggende mekanismer for dannelse af supergitter.

I dette arbejde, Cepeda-Perez et al. direkte afbildede supergitter af guldnanopartikler (AuNP'er) suspenderet i forskellige upolære opløsningsmidler ved hjælp af flydende fase elektronmikroskopi (LP-EM). AuNP'erne i det første lag over en overflade, stærkt interageret med substratet og hinanden. Som en overbygning samlet lag for lag, overfladeinteraktionerne faldt, og mønstrene stødte på svagere kræfter mellem nanopartikler medieret af egenskaberne af den omgivende væske. Teamet studerede overgange fra partikel-overflade-interaktioner til svagere interpartikel-interaktioner ved at undersøge mønstre af et monolag og et dobbeltlag, under forskellige opløsningsmiddelbetingelser. For at undersøge oprindelsen af ​​supergitter undersøgte de en enkelt type oleylamin-overtrukne AuNP'er samlet på en siliciumnitrid (SiN) belagt membran. For at forstå interaktioner mellem AuNP'er og substratet, forskerne ændrede opløsningsmidlet og brugte scanningstransmissionselektronmikroskopi (STEM) for at opnå den højest mulige rumlige opløsning med den lavest mulige elektronstrøm.

Teamet udsatte SiN (siliciumnitrid) -membranerne for et oxiderende plasma for at fremkalde overfladepolaritet direkte inden indlæsning af prøven. Derefter observerede de ved hjælp af flydende fase elektronmikroskopi guldnanopartiklerne (AuNP'er) placeret ved fast-væske-grænsefladen. De testede fire forskellige upolare væsker med forskellige dielektriske konstanter for at variere interaktionsområdet. Partikel-substrat-interaktioner tiltrak nanopartiklerne fra væsken til SiN-overfladen for at danne en tynd film. De stærke og svage interaktioner forårsagede tætte pakninger, der kun blev svagt påvirket af valget af opløsningsmiddel. De samlede tætheder var højest for de lineære kædeopløsningsmidler.

Ved billeddannelse af AuNP -laget i hexadecan -opløsningsmiddel, holdet observerede lysere og svagere pletter for at indikere tilstedeværelsen af ​​AuNP'er oven på et monolag - sammen med tre diskrete niveauer fra billedets signal. De observerede mønstre forblev stabile, selv efter at de havde optaget billeder af prøveområdet i en time-lapse. Forholdsvis cyclohexan ikke-polære organiske opløsningsmidler førte til en tæt, sekskantet øverste lag og teamet bemærkede strukturer med en sekskantet base og rhombitrihexagonal (karakteriseret ved en trekant, to parallelogrammer, og en sekskant på hvert toppunkt) flisebelægning. Prøverne viste også pletter af kvasi-krystallinsk natur. Sammenlignet med det første lag af partikler, holdet observerede svagere binding af partikler i det andet lag, de krediterede reduceret partikelpakningstæthed til forfaldet af partikel-substrat-interaktionspotentiale.

På denne måde, E. Cepeda-Perez og kolleger viste, at opløsningsmidler med høje dielektriske konstanter reducerede pakningstæthederne og tillod dannelse af kvasi-krystallinske strukturer. Resultaterne var i overensstemmelse med hypotesen i undersøgelsen om substratinduceret selvsamling og tiltrækning af partikelsubstrat. LP-EM-dataene forklarede mekanismerne bag dannelsen af ​​selvsamlede supergitter af guldnanopartikler ved en fast-væske-grænseflade. Resultaterne førte til kvasi-krystallinske partikelarrangementer, som var afhængig af styrken af ​​væskens dielektriske konstant i opsætningen. Baseret på resultaterne, 3D-geometrien i et supergitter, herunder komplekse kvasi-krystallinske strukturer, kan finjusteres ved at manipulere egenskaberne for den involverede væske, nanopartikler, og grænsefladematerialer.

© 2020 Science X Network