Selbstorganisation von Nanopartikeln an flüssigen Grenzflächen

Titelangaben

Kutuzov, Sergey:
Selbstorganisation von Nanopartikeln an flüssigen Grenzflächen.
Bayreuth , 2008
( Dissertation, 2009 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

Volltext

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Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wird eine umfangreiche Untersuchung der Selbstorganisation von Nanopartikeln als Folge ihrer spontanen Adsorption an flüssigen Grenzflächen vorgestellt. Die hier vorgelegten experimentellen und theoretischen Studien betreffen nicht nur den kinetischen Ablauf der Adsorption von Nanoteilchen unter Berücksichtigung aller darauf wirkenden Parameter, sondern auch die Organisation von Nanoteilchen an der flüssigen Grenzfläche im Hinblick auf die innere Struktur der gebildeten nanopartikulären Filme und ihrer mechanischen Eigenschaften. Die dadurch gewonnenen Erkenntnisse bilden daher eine wissenschaftliche Basis für vielversprechende praktische Anwendungen der Selbstorganisation (bzw. spontanen Adsorption) von Nanoteilchen in der Industrie. Die hier verwendeten Nanopartikel zeigen einen Kern-Schale-Aufbau, wobei der Kern aus Cadmiumselenid (CdSe) betshet und die Schale aus organischen Molekülen (TOPO) gebildet wird, die zur Strabilisierung der Partikel in Lösung beitragen. Hauptsächlich wurden kugelförmige Nanoteilchen mit drei verschiedenen Kern-Durchmessern verwendet: 2,3 nm, 4,6 nm und 6,0 nm. Außerdem wurde das Selbstorganisationsverhalten von stäbchenförmigen Nanopartikeln sowie die Entstehung von nanopartikulären Filmen untersucht. Die Abmessungen der Nanostäbchen betragen: (7 x 30) nm, (4 x 34) nm und (4 x 25) nm. Zur Untersuchung der Adsorption wurden Toluol/Wasser-, oder Luft/Wasser-Grenzflächen erzeugt. Aus der Arbeit ergeben sich folgende Erkenntnisse: 1) die Anlagerung von Nanopartikeln an der flüssigen Grenzfläche hat eine sofortige Minimierung ihrer Gibbschen freier Energie zufolge. Bei Raumtemperatur erfolgt daher die Adsorption von Nanoteilchen spontan. 2) die allgemeinen Vorstellungen über den zeitlichen Ablauf der Adsorption, ursprünglich vorgeschlagen von A. F. H. Ward und L. Tordai für die Adsorption von amphiphilen Molekülen an flüssigen Grenzflächen, haben sich in dieser Arbeit auch bei der Beschreibung des Adsorptionsverhaltens von Nanoteilchen an flüssigen Grenzflächen als richtig erwiesen. 3) die Adsorption verläuft gemäss dem lokalisierten Modell nach Langmuir 4) im Laufe der Adsorption entsteht eine Monolage eines nanopartikuläreren Films 5) aufgrund der anziehenden interpartikulären Kräfte bilden sich von Beginn der Adsorption Nanopartikel-Aggregate an der flüssigen Grenzfläche. Die Größe und die innere Symmetrie der Aggregate hängen von der Größe und Form der verwendeten Nanopartikel ab. Dicht adsorbierte Nanopartikel weisen klare filmbildende Eigenschaften auf und sind zur Herstellung von ultradünnen nanopartikulären Membranen geeignet.

Abstract in weiterer Sprache

The central aim of this work is the detailed investigation of the self-organization of colloidal cadmium selenide (CdSe) nanoparticles at liquid-liquid and liquid-air interfaces. To prevent the coagulation of the nanoparticles in solution, the CdSe cores were covered with stabilizing tri-n-octylphosphine oxide (TOPO) ligands. The adsorption behaviors of spherical CdSe nanoparticles with diameters of 2.3 nm, 4.6 nm and 6.0 nm as well as rod-like particles with dimensions of (7 x 30) nm, (4 x 34) nm und (4 x 25) nm were considered. The kinetics of the self-assembly and the formation of the nanoparticle monolayer were experimentally followed and described on the basis of adsorption theory. The experimental part of this work includes the synthesis and characterization of the CdSe-TOPO-nanoparticles with different size and shape and the investigation of the adsorption process and kinetics at the liquid-liquid and liquid-air interfaces of nanoparticles of variable size, shape, ligand coverage, etc. Here the dependence of the adsorption kinetics on the size and shape of the nanoparticles, their concentration in bulk, and temperature reveals the key parameters. The detailed con-sideration of all factors promotes the development of a theoretical model based on the dif-fusion theory, which was suggested to describe the adsorption and co-adsorption kinetics at the liquid-liquid interface. According to this theory the effective diffusion coefficients for the early and late stages of nanoparticle adsorption were evaluated. A comparison of the esti-mated coefficients with the coefficients for free diffusion reveals an energy barrier for the particle adsorption at the late stages. In addition, the analysis of the structure and the mechanical properties of the nanoparticle aggregates formed at the liquid interfaces were carried out. The properties of films from self-assembled nanoparticles are strongly dependent on the size and shape of the particles, the temperature and co-adsorption with other particles and were discussed in detail. The interaction between the adsorbed nanoparticles leads to the build up of stable and elas-tic films (membranes) at the liquid-liquid interfaces. In addition, the formation of pores, randomly distributed in the membrane, was shown.