Warstwy nanocząstek od lat wytwarza się na granicy faz, a więc w cienkim obszarze (interfejsie) między dwiema niemieszającymi się cieczami. Wprowadzone do cieczy cięższej, odpowiednio przygotowane nanocząstki z czasem z niej wypływają i rozmieszczają się przypadkowo na granicy z cieczą lżejszą. W panujący tam chaos można wprowadzić porządek, ściskając nanocząstki tłokami z boków i w ten sposób je zagęszczając. Wytwarzane tak monowarstwy były dotychczas nietrwałe i przy próbach zdejmowania z interfejsu po prostu się rozsypywały. Z kolei struktury powiązane chemicznie, zdolne przetrwać rozstanie z interfejsem, po bliższym zbadaniu zawsze okazywały się albo wielowarstwami, albo bezkształtnymi zlepkami nanocząstek.

„Nasze monowarstwy są trwałe, ponieważ nanocząstki połączyliśmy za pomocą specjalnych >zszywek<, czyli cząsteczek-linkerów. Każdy linker zlepia dwie sąsiednie nanocząstki silnymi wiązaniami kowalencyjnymi, a więc chemicznie” - tłumaczy dr Tomasz Andryszewski (IChF PAN), pierwszy autor publikacji w „Chemistry of Materials”.

Nanocząstki złota, użyte w eksperymentach w IChF PAN, mają średnicę około pięciu nanometrów (miliardowych części metra); długość zastosowanych linkerów wynosi zaledwie półtora. Żeby tak krótki linker związał sąsiednie nanocząstki, te trzeba do siebie odpowiednio dosunąć.

„Główna trudność naszej pracy polegała na tym, że musieliśmy pogodzić dwa w zasadzie przeciwstawne wymogi. Z uwagi na długość linkera wiedzieliśmy, że nanocząstki należy zbliżyć na małą odległość, czyli że trzeba będzie działać na nie stosunkowo dużymi siłami. Dlatego zależało nam, żeby nanocząstki nie wyskakiwały z interfejsu. Jednocześnie w jakiś sposób musieliśmy zapobiec zlepianiu się nanocząstek w przypadkowe struktury” - opisuje dr Andryszewski.

Aby spełnić powyższe warunki, nanocząstki pokrywano specjalnie zaprojektowanymi cząsteczkami (ligandami). Jedna część tej cząsteczki łączyła się ze złotem, podczas gdy druga - ustawiała się na zewnątrz nanocząstki i nadawała jej dodatni ładunek elektryczny.

„Zmodyfikowane przez nas nanocząstki złota zachowują się jak boje o dużej wyporności: lokują się na granicy między cieczami tak trwale, że nawet silne wstrząsanie nie jest w stanie ich stamtąd wypchnąć. Jednocześnie odpychają się elektrostatycznie. W efekcie każda nanocząstka ma zagwarantowaną wokół siebie pewną >przestrzeń prywatną<, konieczną dla zachowania uporządkowania” - wyjaśnia doktorantka Michalina Iwan (IChF PAN).

Gdy odpowiednio spreparowane nanocząstki były już ściśnięte w monowarstwie na granicy faz, do układu wstrzykiwano substancję linkującą. Reakcja sieciowania, przypominająca samoczynne zachodzące zszywanie, przebiegała w temperaturze pokojowej, przy normalnym ciśnieniu, bez konieczności stosowania inicjatorów czy katalizatorów. Po chemicznym zespoleniu monowarstwę można było zdjąć z interfejsu między cieczami, wysuszyć, a nawet poddać działaniu silnych rozpuszczalników.

Właściwości fizyczne monowarstw otrzymywanych za pomocą "krawieckiej" chemii można modyfikować poprzez dobór odpowiednich linkerów. I tak np. dłuższe polimerowe linkery pozwalałyby wytwarzać monowarstwy charakteryzujące się zwiększoną elastycznością. Za pomocą linkerów przewodzących prąd można byłoby z kolei produkować np. monowarstwy o ściśle określonych właściwościach optoelektrycznych. Zaprezentowana metoda syntezy ma także znaczenie dla badań podstawowych: w przyszłości dzięki niej będzie można bezpośrednio badać m.in. właściwości mechaniczne pojedynczych nanocząstek.

Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl