[论文解读] 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 1

一句话总结

本研究通过溶液中聚合物诱导的熵失效应，实现了金纳米棒在开放、各向异性的结构中可调的自组装。通过调控聚合物浓度，研究人员实现了非单调的结构转变——在中间浓度下达到最大最近邻配位数和分形维数，这是由于从反应控制聚集向扩散控制聚集的转变，从而实现了对用于增材制造的方向依赖性纳米材料的精确设计。

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.

研究动机与目标

• 通过熵失相互作用在溶液中实现对各向异性金纳米棒的精确结构控制。
• 理解聚合物浓度和链段特性如何影响接枝纳米棒的自组装行为。
• 识别纳米棒自组装中从反应控制到扩散控制聚集的转变点。
• 实现在原位制造具有方向依赖性纳米尺度性能的材料，以满足先进应用需求。

提出的方法

• 采用表面接枝短链聚合物的金纳米棒，以实现 Steric 稳定性及可调的熵失相互作用。
• 利用小角X射线散射（SAXS）对溶液中组装的纳米结构进行结构表征。
• 改变致稳聚合物的浓度，以调节熵失相互作用强度和链段压缩程度。
• 分析作为聚合物浓度函数的结构参数，如最近邻距离、配位数和分形维数。
• 将熵失相互作用强度与聚合物溶液的相关长度相关联，当纳米棒直径小于聚合物的回转半径时，该关系与聚合物分子量无关。
• 通过分析结构参数的非单调趋势，识别出从反应控制到扩散控制聚集的转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 聚合物浓度如何影响溶液中接枝聚合物的金纳米棒的结构组织？
• RQ2 聚合物的相关长度与分子量在决定熵失相互作用强度方面分别起什么作用？
• RQ3 在何种聚合物浓度下，配位数和分形维数等结构参数达到峰值，原因是什么？
• RQ4 是什么导致了结构特性对聚合物浓度的非单调依赖关系？
• RQ5 从反应控制到扩散控制聚集的转变如何影响最终的纳米结构？

主要发现

• 当纳米棒直径小于聚合物的回转半径时，熵失相互作用仅取决于聚合物溶液的相关长度。
• 提高聚合物浓度可增强熵失力，压缩接枝链段，从而减小纳米棒之间的距离。
• 组装结构的最近邻数和分形维数在中等聚合物浓度下达到峰值。
• 中等浓度下结构有序度的峰值可归因于从反应控制到扩散控制聚集的转变。
• 结构演化呈非单调性，表明扩散、聚集动力学和粒子间作用力之间存在复杂相互作用。
• 该方法可实现对各向异性纳米结构形成的精确、原位控制，适用于工程化制造具有方向依赖性性能的材料。