Des chimistes de l'Université de l'Oregon qui étudient la structure des nanoparticules d'or stabilisées par des ligands ont capturé de nouvelles connaissances fondamentales sur leur stabilité. L'information, ils disent, pourrait aider à maintenir un désir, propriété intégrale des nanoparticules utilisées dans les appareils électroniques, où la stabilité est importante, ou pour les concevoir de manière à ce qu'ils se condensent facilement en films minces pour des choses telles que des encres ou des catalyseurs dans des appareils électroniques ou solaires.
Dans un projet détaillé dans le numéro du 27 novembre du Journal de chimie physique C —étudiante au doctorat Beverly L. Smith et James E. Hutchison, qui détient la chaire Lokey-Harrington en chimie à l'UO, analysé comment la taille des nanoparticules et des molécules sur leurs surfaces, appelés ligands, influencer l'intégrité structurelle sous des températures croissantes.
Ils se sont concentrés sur les nanoparticules de moins de deux nanomètres de diamètre - les plus petites étudiées à ce jour - pour mieux comprendre la stabilité structurelle de ces minuscules particules conçues pour une utilisation en électronique, médicaments et autres matériaux. Qu'une nanoparticule doive rester stable ou se condenser dépend de la façon dont elle est utilisée. Ceux utilisés comme catalyseurs dans le traitement chimique industriel ou les points quantiques pour l'éclairage doivent rester intacts; s'il s'agit de précurseurs de revêtements dans des dispositifs solaires ou d'encres d'imprimerie, les nanoparticules doivent être instables afin qu'elles frittent et se condensent en une masse mince.
Pour leurs expériences, Smith et Hutchison ont produit des nanoparticules d'or dans quatre tailles bien contrôlées, allant de 0,9 nanomètres à 1,5 nanomètres, et analysé la perte de ligand et le frittage par analyse thermogravimétrique et calorimétrie différentielle à balayage, et examiné les films résultants par microscopie électronique à balayage et spectroscopie photoélectronique aux rayons X. Comme les nanoparticules ont été chauffées à 5 degrés Celsius par minute, de la température ambiante à 600 degrés Celsius, les nanoparticules ont commencé à se transformer à près de 150 degrés Celsius.
Les chercheurs ont découvert que les nanoparticules plus petites ont une meilleure intégrité structurelle que les particules de plus grande taille qui ont été testées. En d'autres termes, Hutchison a dit, ils sont moins susceptibles de perdre leurs ligands et de se lier ensemble. "Si vous avez des particules instables, alors la propriété que vous voulez est éphémère, " dit-il. " Soit l'émission lumineuse se dégrade avec le temps et vous avez terminé, ou le métal devient inactif et vous avez terminé. Dans ce cas, vous voulez préserver la fonction et empêcher les particules de s'agréger. "Le contraire est souhaité pour Hutchison et d'autres travaillant dans le Center for Sustainable Materials Chemistry financé par la National Science Foundation, une collaboration multi-universités dirigée par l'UO et l'Oregon State University. Les chercheurs y synthétisent des nanoparticules comme précurseurs de films minces.
« Nous voulons des précurseurs de solutions pouvant conduire à des couches minces inorganiques pour une utilisation dans les industries électronique et solaire, " dit Hutchison, qui est également membre de l'UO Materials Science Institute.
"Dans ce cas, nous voulons savoir comment garder nos nanoparticules ou autres précurseurs suffisamment stables en solution pour pouvoir travailler avec eux, en utilisant juste une infime quantité d'énergie supplémentaire pour les rendre instables afin qu'ils se condensent en un film - où la propriété que vous voulez vient du solide étendu qui est généré, pas des nanoparticules elles-mêmes."
La recherche, Hutchison a dit, identifié des sites faibles sur les nanoparticules où des ligands pourraient se détacher. Si seulement une petite quantité le fait, il a dit, des nanoparticules séparées sont plus susceptibles de se rassembler et de commencer le processus de frittage pour créer des films minces.
"C'est un effet vraiment stabilisant qui, à son tour, expulse tous ces ligands à l'extérieur, " dit-il. " La surface diminue rapidement et les particules grossissent, mais maintenant, tous les ligands supplémentaires sont exclus du film et ensuite, heures supplémentaires, les ligands se vaporisent et disparaissent."
La séparation, cependant, est une « panne catastrophique » si l'objectif est de protéger contre le frittage. Il peut être possible d'utiliser les résultats, il a dit, explorer les moyens de renforcer les nanoparticules, comme développer des ligands qui se lient dans au moins deux sites ou éviter les ligands volatils.
Le processus, comme étudié, produit des films d'or poreux. "Une prochaine étape pourrait être d'étudier comment manipuler le processus pour obtenir un film plus dense si cela est souhaité, " a déclaré Hutchison. Comprendre comment les nanoparticules répondent à certaines conditions, comme les changements de température, il ajouta, peut aider les chercheurs à réduire les déchets dans le processus de fabrication.
"Les chercheurs de l'Université de l'Oregon réorganisent la science, processus de fabrication et commerciaux derrière les produits critiques, " a déclaré Kimberly Andrews Espy, vice-président pour la recherche et l'innovation et doyen de l'UO Graduate School. "Cette recherche analysant la stabilité structurelle des nanoparticules par le Dr Hutchison et son équipe a le potentiel d'améliorer l'ingénierie de l'électronique, médicaments et autres matériaux, contribuer à favoriser un avenir durable pour notre planète et ses habitants. »
Forgeron, l'auteur principal de l'article, a obtenu une maîtrise en chimie en 2009 de l'UO. Elle est maintenant doctorante au laboratoire de Hutchison. Au cours des premières étapes de la recherche, elle a été soutenue par le programme d'enseignement supérieur intégré et de stage en recherche (IGERT) de la NSF. Le financement de l'Air Force Research Laboratory (subvention n° FA8650-05-1-5041) à Hutchison a également soutenu la recherche.
Hutchison est également membre de l'Oregon Nanoscience and Microtechnologies Institute (ONAMI) et de l'Oregon BEST (Oregon Built Environment &Sustainable Technologies Center), qui sont des initiatives de recherche de signature de l'État.
