Inzicht in de krachten die kristallisatie reguleren door deeltjesbinding

Een complex samenspel van energetica en dynamiek beheerst het gedrag van nanokristallen in oplossing. Deze dynamiek wordt doorgaans geïnterpreteerd in termen van de theorie die is ontwikkeld door Derjaguin, Landau, Verwey en Overbeek (DVLO), en het begrijpen van deze krachten is met name belangrijk voor het beheersen van georiënteerde hechting (OA), waarbij individuele nanokristallen samensmelten in specifieke uitlijningen.

In een nieuwe studie gepubliceerd in ACS Nanoonderzoekers onderzochten de effecten van krachten die niet in de DLVO-theorie zijn meegenomen op een zinkoxide (ZnO) modelsysteem dat OA ondergaat. Ze ontdekten dat de drijvende krachten achter de hechting dipool-dipoolkrachten zijn die niet in de DLVO-theorie zijn meegenomen.

De dipoolkrachten leiden tot snellere hechting in minder polaire oplossingen, gevalideerd door berekeningen die rekening houden met niet-DLVO-krachten. De onderzoekers toonden ook aan dat de korteafstands-, afstotende krachten die hechting vertragen, afhankelijk zijn van de aard van het oplosmiddel, met name de moleculaire pakking en intermoleculaire interacties.

Onderzoekers onderzochten de niet-DLVO-krachten die de dynamiek en uitkomsten van deeltjesaggregatie, co-alignment en hechting in een ZnO-modelsysteem reguleren. Ze onderzochten het effect van dipool-dipoolinteracties op de langeafstandskrachten en -momenten die de benadering en uitlijning van deeltjes aansturen door in situ transmissie-elektronenmicroscopie-observaties van OA-gebeurtenissen te combineren met Langevin-dynamica-simulaties met behulp van een reeks oplosmiddelen.

Door de omvang van deze krachten te vergelijken met de elektrostatische krachten en de vanderwaalskrachten die met behulp van de DLVO-theorie zijn berekend, blijkt dat de niet-DLVO-krachten domineren en een verklaring bieden voor de verschillen die in de verschillende oplosmiddelen worden waargenomen.

Ze onderzochten ook de korteafstandsafstotende krachten die voortkomen uit de oplosmiddelstructuur nabij het ZnO-oppervlak met behulp van 3D-atomairekrachtmicroscopie. De solvatatiekracht is sterker in water vergeleken met ethanol en methanol vanwege de sterkere waterstofbinding en dichtere pakking van watermoleculen op de interface.

Deze resultaten benadrukken het belang van het oplossen en kwantificeren van niet-DLVO-krachten bij het vaststellen van een algemeen kader voor het begrijpen en voorspellen van de synthese van materialen via deeltjesaggregatie en -hechting.

De onderzoekers hebben een indrukwekkend scala aan nanomaterialen met unieke eigenschappen gecreëerd, zoals colloïdale kristallen, mesokristallen, sterk vertakte nanodraden en adaptieve materialen die reversibel reageren op externe stimuli.

Om het veld te blijven ontwikkelen en een voorspellend begrip van deeltjesaggregatie en hechtingsgedrag te ontwikkelen, moeten we verder gaan dan traditionele colloïdale theorieën, zoals DLVO. Door de verschillende krachten te identificeren die in OA spelen, kunnen onderzoekers omstandigheden creëren die de specifieke uiteindelijke nanomateriaalstructuren produceren die nodig zijn voor toepassingen.