[論文レビュー] Tunable assembly of gold nanorods in polymer solutions

Ryan Poling‐Skutvik, Jong Hun Lee+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2017

Pickering emulsions and particle stabilization被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、溶液中におけるポリマー誘発剥離力を利用し、金ナノロッドをチューナブルに開口的で異方的な構造へと整列化することを示した。ポリマー濃度を制御することにより、反応制限型から拡散制限型凝集への移行に伴い、非単調な構造的転移が発生し、中程度の濃度で最近隣距離の協調数とフラクタル次元が最大値を示す。これにより、アディティブマニュファクチャリング向けの方向依存ナノ材料の精密設計が可能になった。

ABSTRACT

Gold nanorods grafted with short chain polymers are assembled into controlled open structures using polymer-induced depletion interactions and structurally characterized using small angle x-ray scattering. When the nanorod diameter is smaller than the radius of gyration of the depletant polymer, the depletion interaction depends solely on the correlation length of the polymer solution and not directly on the polymer molecular weight. As the polymer concentration increases, the stronger depletion interactions increasingly compress the grafted chains and push the gold nanorods closer together. By contrast, other structural characteristics such as the number of nearest neighbors and fractal dimension exhibit a non-monotonic dependence on polymer concentration. These parameters are maximal at intermediate concentrations, which are attributed to a crossover from reaction-limited to diffusion-limited aggregation. The control over structural properties of anisotropic nanoscale building blocks demonstrated here will be beneficial to designing and producing materials \emph{in situ} with specific direction-dependent nanoscale properties and provides a crucial route for advances in additive manufacturing.

研究の動機と目的

• 剥離相互作用を用いて、溶液中における異方的金ナノロッドの正確な構造的制御を達成すること。
• ポリマー濃度および鎖の特性が、修飾ナノロッドの自己集合に与える影響を理解すること。
• ナノロッドアセンブリにおいて、反応制限型凝集と拡散制限型凝集の遷移を同定すること。
• 方向依存のナノスケール特性を有する材料のインサイト内製造を可能とすること、先進的応用に向けた基盤を提供すること。

提案手法

• 立体障害とチューナブルな剥離相互作用を可能とする短鎖ポリマーで修飾された金ナノロッドを用いた。
• 溶液中におけるアセンブリドナオストラクチャの構造的特徴を評価するために、小角X線回折（SAXS）を用いた。
• 剥離相互作用の強さと鎖の圧縮を調整するために、剥離剤ポリマーの濃度を変化させた。
• ポリマー濃度関数としての最近隣距離、協調数、フラクタル次元などの構造的パラメータを分析した。
• ナノロッド径がポリマーの回転半径より小さい場合、ポリマー分子量に依存しない形で、剥離相互作用強度をポリマー溶液の相関長に結びつけた。
• 構造的パラメータの非単調的傾向を分析することで、反応制限型から拡散制限型凝集への遷移を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ポリマー濃度は、溶液中におけるポリマー修飾金ナノロッドの構造的組織にどのように影響を与えるか？
• RQ2 剥離相互作用強度を決定づける要因として、ポリマーの相関長と分子量のどちらが重要か？
• RQ3 協調数やフラクタル次元といった構造的パラメータがピークを示すポリマー濃度はどの程度で、その理由は何か？
• RQ4 構造的特性がポリマー濃度に対して非単調的である原因は何か？
• RQ5 反応制限型から拡散制限型凝集への遷移が、最終的なナノ構造にどのように影響を与えるか？

主な発見

• ナノロッド径がポリマーの回転半径より小さい場合、剥離相互作用はポリマー溶液の相関長にのみ依存する。
• ポリマー濃度を増加させることで剥離力が強化され、修飾鎖が圧縮され、ナノロッド間隔が短縮される。
• アセンブリド構造の最近隣数とフラクタル次元は、中程度のポリマー濃度でピークに達する。
• 中程度の濃度で構造的秩序が最大値を示すのは、反応制限型から拡散制限型凝集への遷移に起因する。
• 構造的進化は非単調的であり、拡散、凝集動力学、および粒子間力の複雑な相互作用を示している。
• 本手法により、異方的ナノ構造形成を正確にインサイト内制御可能となり、方向依存の特性を有する材料工学に適した。