Nieuw mechanisme van de vorming van nanodeeltjes overwint eeuwen oud klassiek model

Nanodeeltjes hebben verschillende toepassingen in de moderne wetenschap en industrie, voedingstechnologieën zoals kwantumdot displays, nanokatalysatoren en medicijnafgifte. Hun unieke fysicochemische eigenschappen, die kunnen worden afgestemd door hun grootte en vorm te veranderen, maken ze zeer aantrekkelijk.

Ondanks uitgebreid onderzoek, blijven de exacte mechanismen en dynamiek van monodisperse of uniforme formatie en groei van nanodeeltjes echter slecht begrepen.

De klassieke nucleatietheorie (CNT), gebaseerd op de Gibbs-Thomson-vergelijking, is al meer dan een eeuw het primaire kader voor het begrijpen van de groei van nanodeeltjes. Deze theorie kan echter niet verklaren waarom nanodeeltjes systemen zich vestigen in uniforme groottebereiken.

Recente studies hebben vloeistoffase-transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) van individuele nanodeeltjes gebruikt om de complexe aard van de groeimynamiek van nanodeeltjes te onthullen. Maar zelfs vóór de komst van dergelijke geavanceerde technieken was een kwantitatief begrip van eerdere experimentele observaties over de dynamiek van de groeimaniek tot nanodeeltjes tot nu toe ongrijpbaar gebleven.

In een doorbraakstudie heeft een theoreteam onder leiding van professor Jaeyoung gezongen van het Department of Chemistry and Global Science Research Center for Systems Chemistry aan de Chung-Ang University in Zuid-Korea een nieuw model en theorie ontwikkeld om de multipasische groeimynamiek van nanodeeltjessembles te verklaren.

“Real-time, in-situ groeitrajecten van nanodeeltjessembles, verkregen door ons vloeibare TEM-experiment, gemotiveerde professor Sung om een ​​nieuwe theorie van groeiende nanodeeltjessystemen te ontwikkelen,” legt professor Jungwon Park van de Nationale Universiteit van Seoul uit.

“Deze theorie markeert een fundamentele verschuiving in ons begrip van de vorming van nanodeeltjes en tijdevolutie,” zei Distinguished Professor Taeghwan Hyeon, de directeur van IBS Center for NanodeParticle Research, Zuid -Korea.

Professor Jungwon Park en professor Taeghwan Hyeon leidden het experimentele onderzoek in deze samenwerking. Ze zijn toonaangevende experts in respectievelijk vloeistoffase TEM en nanodeeltjessynthese. Deze multidisciplinaire studie werd gepubliceerd in Proceedings of the National Academy of Sciences.

Met behulp van de vloeistoffase TEM hebben de onderzoekers direct de groeitrajecten van honderden colloïdale nanodeeltjes, enkele nanometer in grootte, in realtime waargenomen. Uit de resultaten bleek dat nanodeeltjes complexe grootte-afhankelijke groeimynamiek vertoonden met meerdere kinetische fasen.

In elk van deze kinetische fasen vertoonden de statistieken van de nanodeeltjesgrootte en hun grootte-afhankelijke groei verschillende variaties. Ze ontdekten ook dat nanodeeltjes alleen coalescentie ondergaan in een klein gelokaliseerd tijdvenster. Deze observaties zijn onverklaarbaar door eerder gerapporteerde theorieën.

Op basis van deze bevindingen ontwikkelde het team een ​​nieuw model en theorie voor groei van nanodeeltjes. Dit model is goed voor zes essentiële kenmerken van de groei van nanodeeltjes, waaronder de energie, vorm van de nanodeeltjes, de vorm, de configuratie -degeneratie, de diffusiecoëfficiënt van monomeer en de monomeerassociatiesnelheid op het oppervlak van de nanodeeltjes.

De nieuwe theorie verklaart ook vertaling, rotatie en trillingen van een nanodeeltje, evenals de interactie met omliggende moleculen, factoren die over het hoofd werden gezien in de CNT.

Als gevolg hiervan biedt deze nieuwe theorie nieuwe fysieke inzichten in de rol van nanodeeltjesbeweging en configuratie -degeneratie in hun nucleatie en groei, samen met een ongekende kwantitatieve verklaring van experimentele gegevens voor de dynamiek van de nanodeeltjes.

Het heeft ook een brede toepasbaarheid, gevalideerd over verschillende nanodeeltjes, inclusief platina -nanodeeltjes gesynthetiseerd met behulp van verschillende voorlopers, evenals metaaloxide en halfgeleider nanodeeltjes, onder verschillende experimentele omstandigheden.

Interessant is dat deze theorie voorspelt dat kleinere nanodeeltjes kunnen groeien, terwijl grotere oplost, wat in directe tegenspraak is met het klassieke rijpingsbeeld van Ostwald, een opmerkelijk nieuw inzicht dat verklaart waarom nanodeeltjessystemen uniforme grootteverdelingen vertonen en dynamiek van grootte-focuserende dynamiek vertonen.

“Dit werk maakt het mogelijk om tijdsafhankelijke grootteverdelingen van nanodeeltjes en hun grootte-afhankelijke groeimynamiek te begrijpen in termen van fundamentele principes in de natuurkunde en chemie,” zei professor Sung.

“Deze algemene theorie kan ook worden gebruikt om de vorming en aggregatie van biologische condensaat te begrijpen, die voorkomen bij veel neurodegeneratieve ziekten, waaronder de ziekte van Alzheimer.”

“Inzicht is echter één ding, en voorspelling is een ander. Samen met de vooruitgang in kunstmatige intelligentie en computationele chemie biedt onze theorie een nieuw raamwerk voor voorspelbare nanodeeltjes synthese, die een spannende nieuwe richting vertegenwoordigt voor nanodeeltjesonderzoek. Deze kennis zal nuttig blijken te zijn voor het ontwikkelen van op maat gemaakte nanodeeltjes voor industriële toepassingen, semiconductor en medicijnafgifte,” CONCLUTESE SUNG.