es. 1:Modelli SAXS 2D di nanoparticelle d'oro rivestite con PEG (AuNP) con 2 M CsCl aggiunti a diverse pressioni. Sinistra:1 barra; Medio:4000 bar; A destra:dopo il rilascio della pressione a 1 bar. Lo schema in alto illustra l'assemblaggio strutturale degli AuNP rivestiti a diverse pressioni:a 1 bar, l'insieme delle particelle è in un amorfo, stato liquido. Al raggiungimento della pressione di cristallizzazione, i cristalliti cubici a facce centrate sono formati dagli AuNP. Dopo il rilascio della pressione, gli AuNP ritornano allo stato liquido. Credito:sorgente luminosa a diamante
L'autoassemblaggio e la cristallizzazione delle nanoparticelle (NP) è generalmente un processo complesso, sulla base dell'evaporazione o della precipitazione di elementi costitutivi di NP. Ottenere supercristalli di alta qualità è lento, dipendenti dalla formazione e dal mantenimento di condizioni di cristallizzazione omogenee. Studi recenti hanno utilizzato la pressione applicata come metodo omogeneo per indurre varie trasformazioni strutturali e transizioni di fase in gruppi di nanoparticelle preordinati. Ora, in un lavoro recentemente pubblicato su Journal of Physical Chemistry Letters , un team di ricercatori tedeschi che studiano soluzioni di nanoparticelle d'oro rivestite con ligandi a base di poli(etilenglicole)- (PEG-) ha scoperto che i supercristalli possono essere indotti a formarsi rapidamente all'interno dell'intera sospensione.
Negli ultimi decenni, c'è stato un notevole interesse per la formazione di supercristalli di nanoparticelle (NP), che possono esibire proprietà sintonizzabili e collettive diverse da quelle delle loro parti componenti, e che hanno potenziali applicazioni in settori quali l'ottica, elettronica, e piattaforme di sensori. Mentre la formazione di supercristalli di alta qualità è normalmente un processo lento e complesso, recenti ricerche hanno dimostrato che l'applicazione di pressione può indurre le nanoparticelle d'oro a formare supercristalli. Basandosi su questo e sull'effetto stabilito dei sali sulla solubilità delle nanoparticelle d'oro (AuNP) rivestite con ligandi a base di PEG, Il dott. Martin Schroer e il suo team hanno effettuato una serie di esperimenti per studiare l'effetto della variazione di pressione sulle nanoparticelle d'oro in soluzioni acquose. Hanno fatto un'osservazione inaspettata:quando si aggiunge un sale alla soluzione, le nanoparticelle cristallizzano ad una certa pressione. Il diagramma di fase è molto sensibile, e la cristallizzazione può essere regolata variando il tipo di sale aggiunto, e la sua concentrazione.
Il team ha utilizzato lo scattering di raggi X a piccolo angolo (SAXS) sulla linea di luce I22 per studiare la cristallizzazione in situ con diversi sali di cloruro (NaCl, KCl, RbCl, CsCl). Come spiega il dottor Schroer,
Fig. 2:Diagramma di fase pressione – concentrazione salina di AuNP@PEG. Per basse pressioni, le particelle sono allo stato liquido, al di là di una pressione critica, in soluzione si formano superreticoli cubici a facce centrate (fcc). La transizione alla cristallizzazione dipende dalla concentrazione di sale e dal tipo di sale. Credito:sorgente luminosa a diamante
I22 è una delle poche linee di luce ad offrire un ambiente ad alta pressione, ed è insolito perché la configurazione sperimentale è facilmente gestibile dagli utenti stessi. Il personale della linea di luce è eccellente, e siamo particolarmente grati per la loro competenza nel trattamento dei dati, che era inestimabile".
Il diagramma di fase della concentrazione pressione-sale risultante mostra che la cristallizzazione è il risultato dell'effetto combinato del sale e della pressione sui rivestimenti PEG. La formazione di supercristalli si verifica solo ad alte concentrazioni di sale, ed è reversibile. L'aumento della concentrazione di sale porta ad una continua diminuzione della pressione di cristallizzazione, mentre la struttura reticolare e il grado di cristallinità sono indipendenti dal tipo e dalla concentrazione di sale.
Al raggiungimento della pressione di cristallizzazione, i supercristalli si formano all'interno dell'intera sospensione; comprimendo ulteriormente il liquido si ottengono variazioni della costante reticolare, ma nessuna ulteriore cristallizzazione o transizioni strutturali. Questa tecnica dovrebbe essere applicabile a una varietà di nanomateriali, e studi futuri potrebbero rivelare informazioni sulla formazione dei supercristalli che aiuteranno a comprendere i processi di cristallizzazione e consentiranno lo sviluppo di metodi nuovi e più rapidi per la sintesi dei supercristalli NP.
La cristallizzazione NP sembra essere istantanea, ma in questa serie di esperimenti c'è stato un ritardo di circa 30 secondi tra l'applicazione della pressione e l'esecuzione delle misurazioni SAXS. Il dottor Schroer e il suo team torneranno a Diamond entro la fine dell'anno per condurre studi risolti nel tempo per indagare ulteriormente su questo fenomeno.
