[논문 리뷰] Tunable assembly of gold nanorods in polymer solutions

Ryan Poling‐Skutvik, Jong Hun Lee외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 01.

Pickering emulsions and particle stabilization인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 용액 내에서 고분자에 의해 유도되는 탈리브력에 의해 금 나노막대를 조절 가능한 방식으로 개방형 이방성 구조로 조립하는 것을 보여준다. 고분자 농도를 조절함으로써 연구자들은 반응 속도 제한에서 확산 속도 제한으로의 전이에 의해 발생하는 비단조화적인 구조 전이—중간 농도에서 최대의 근접 이웃 coordination 수와 프랙탈 차수를 달성—을 관찰한다. 이는 방향 의존성 나노재료의 정밀 설계를 가능하게 하여 적층 제조에 응용할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 탈리브 상호작용을 이용하여 용액 내에서 이방성 금 나노막대의 정밀한 구조 제어를 달성하기 위해.
• 고분자 농도와 고분자 사슬 특성이 코팅된 나노막대의 자가 조립에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 나노막대 조립에서 반응 속도 제한과 확산 속도 제한의 조립 전이를 규명하기 위해.
• 향후 고급 응용을 위한 방향 의존성 나노스케일 특성을 지닌 재료의 현장 내 제조를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 스테리크 안정화와 조절 가능한 탈리브 상호작용을 가능하게 하기 위해 짧은 사슬 고분자로 기능화된 금 나노막대를 사용하였다.
• 용액 내에서 조립된 나노구조의 구조적 특성을 분석하기 위해 소각도 X선 산란(SAXS)을 사용하였다.
• 탈리브 상호작용 강도와 사슬 압축을 조절하기 위해 탈리브 고분자의 농도를 변화시켰다.
• 고분자 농도에 따른 근접 이웃 거리, coordination 수, 프랙탈 차수와 같은 구조적 파라미터를 분석하였다.
• 나노막대의 직경이 고분자의 반지름의 궤도보다 작을 경우, 고분자 분자의 분자량과는 무관하게 탈리브 상호작용 강도는 고분자 용액의 상관 길이와 관련이 있다.
• 구조적 파라미터의 비단조화적인 경향을 분석함으로써 반응 속도 제한에서 확산 속도 제한으로의 조립 전이를 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고분자 농도는 용액 내 고분자 코팅 금 나노막대의 구조적 조직에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 탈리브 상호작용 강도를 결정하는 데 있어 고분자의 상관 길이와 분자량의 역할은 무엇인가?
• RQ3 coordination 수와 프랙탈 차수가 최대에 이르는 고분자 농도는 얼마이며, 그 이유는 무엇인가?
• RQ4 왜 고분자 농도에 따라 구조적 특성이 비단조화적인 의존성을 보이는가?
• RQ5 반응 속도 제한에서 확산 속도 제한으로의 조립 전이가 최종 나노구조에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 나노막대 직경이 고분자의 반지름의 궤도보다 작을 경우, 탈리브 상호작용은 고분자 용액의 상관 길이에만 의존한다.
• 고분자 농도를 높일수록 탈리브 힘이 강화되어 코팅된 사슬이 압축되고 나노막대 간 거리가 감소한다.
• 조립된 구조물의 근접 이웃 수와 프랙탈 차수는 중간 고분자 농도에서 최대에 이른다.
• 중간 농도에서 구조적 질서가 최대에 이르는 것은 반응 속도 제한에서 확산 속도 제한으로의 조립 전이에 기인한다.
• 구조적 진화는 비단조화적이므로 확산, 응집 동역학, 입자 간 상호작용 간의 복잡한 상호작용을 나타낸다.
• 이 방법은 이방성 나노구조 형성에 대해 정밀하고 현장 내에서의 제어를 가능하게 하여, 방향 의존성 특성을 지닌 재료의 공학에 적합하다.