나노 입자 계면층

계면층에 둘러싸인 황화납 나노입자.

나노 입자 계면층은 나노 입자 주위에 전형적으로 유기 분자가 잘 구조화된 층이다.이러한 분자는 안정제, 캡 및 표면 리간드 또는 패시베이션제로 알려져 있습니다.계면층은 나노 입자의 특성에 큰 영향을 미치므로 종종 나노 ^[1]입자의 일부로 간주됩니다.계면층의 일반적인 두께는 0.1~4nm이며,^[2] 이는 층이 만들어지는 분자의 유형에 따라 달라집니다.계면층을 구성하는 유기 분자는 종종 양친매성 분자인데, 이것은 그들이 비극성 ^[3]꼬리와 결합된 극성 머리 그룹을 가지고 있다는 것을 의미합니다.

상호 작용

계면층의 효과는 나노입자 간의 상호작용에서 뚜렷하게 나타난다.이러한 상호작용은 DLVO 이론을 사용하여 모델링할 수 있습니다.고전적으로 이 이론은 입자의 잠재력이 정전기 상호작용과 판데르발스 상호작용의 ^[4]합이라고 말한다.이 이론은 거의 모든 콜로이드 입자에 대해 매우 정확한 것으로 입증되었지만 나노 입자에 대해 측정된 모든 상호작용을 설명할 수는 없습니다.따라서 이 이론은 이른바 비 DLVO 용어로 확장되었습니다.이 확장에서는 수화력, 소수력, 입체력 및 가교력도 고려되며 총 ^[5]^[6]전위는 다음과 같다.

V(r)=V_{vdw}+V_{el}+V_{HB}+V_{ST}+V_{B

이러한 마지막 항은 입자의 가장 바깥쪽 부분이기 때문에 대부분 계면층에 의해 결정되며, 따라서 표면 상호작용을 결정합니다.예를 들어, 가교 용어는 계면층의 분자가 중합하는 경향이 있을 때만 역할을 합니다.

결정으로 이루어진 나노 입자의 경우 양자역학적 상호작용이 예상되지만, 계면층 때문에 코어끼리 충분히 가까워질 수 없기 때문에 이러한 상호작용은 무시할 ^[6]수 있다.

예시적인 한계 케이스는 이상적인 유체 중의 비충전 반도체 양자 도트(QD)이다.이상적인 유체 때문에 QD-QD 상호작용과 QD-유체 상호작용 사이에는 차이가 없습니다.VDW 상호작용만이 초유체로 이루어진 계면층과 다른 계면층 또는 용제 사이의 상호작용에서 중요하다.즉, 입자 사이에 인력이 없기 때문에 단단한 구체 ^[7]모델을 사용하여 정확하게 설명할 수 있습니다.

광학적 특성

계면층의 유기 배위자는 다양한 메커니즘을 통해 나노 입자의 광발광(PL)에 영향을 줄 수 있으며, 그 중 두 가지는 표면 패시베이션과 캐리어 트래핑입니다.

표면 수동:미개척 나노입자(계면층 없음)의 표면에서 매달린 원자가 발견된다.이러한 결합은 HOMO-LUMO 갭 사이에 에너지 레벨을 형성하여 비방사성 이완으로 이어진다.매달린 궤도와의 리간드 분자의 결합으로 인해, 이러한 상태의 에너지는 HOMO-LUMO 갭에서 멀어집니다.이로 인해 비방사성 완화를 방지하고 결과적으로 더 많은 PL이 발생합니다.이 효과의 강도는 리간드의 종류에 따라 크게 달라진다.일반적으로 작고 선형적인 리간드는 부피가 큰 리간드보다 잘 작동하는데, 이는 더 높은 표면 커버리지 밀도로 이어지고, 따라서 더 많은 매달린 오비탈을 ^[8]수동화할 수 있기 때문입니다.

또 다른 표면 효과는 캐리어 트래핑입니다.여기서 리간드는 나노입자 내의 전자(홀)를 소거할 수 있으므로 복사재조합을 방지하고 PL의 저감을 도모할 수 있다.이러한 배위자의 잘 알려진 예는 ^[9]티올이다.

광변환 효율은 또한 ^[10]나노입자의 흡수 에너지로 방출되고 더 넓은 에너지 범위에서 흡수되는 화합물의 계면층을 사용하여 향상될 수 있다.C. S. 이나가키 등에 따르면 금속 나노입자의 흡수 대역은 계면층과 나노입자의 플라스몬 공명 대역이 겹치면서 폭이 급격히 증가하는 것으로 나타났다.이 현상은 LED나 태양전지 같은 실용적인 용도로 사용될 수 있다.이러한 기술에서는 흡수 또는 방출의 효율이 매우 중요하며, 계면층을 가진 나노 입자를 사용하여 더 넓은 범위의 ^[11]에너지를 흡수하거나 방출함으로써 효율성을 개선할 수 있습니다.

플라스몬 공명

금 나노 입자의 계면층에 있는 글루타치온의 다른 농도의 영향이 용액 색상에 미치는 영향.

나노 입자에 의해 나타나는 플라즈몬 공명은, 예를 들면 금 입자가 가장 많이 사용되며, 계면층을 사용하여 변경할 수 있습니다.예를 들어 금 나노입자에 결합된 음이온성 또는 양이온성 리간드 중 하나가 길어지면 플라스몬 공명의 파장은 ^[12]빨간색으로 바뀝니다.

최근 Amendola 등에 의해 관찰된 또 다른 효과의 예.10 nm 이하의 작은 금 나노 입자에서, 특정한 짧은 사슬 리간드로 구성된 조밀한 단분자가 표면 플라스몬 공명 ^[13]효과를 감소시키는 경향이 있다.

플라즈몬 공명은 나노 입자의 계면활성제를 분석하는데 사용될 수 있다.이 원리는 나노입자 주변 매체의 굴절률을 표면 플라스몬 공명의 주파수를 조정하거나 변경하는 데 사용할 수 있다는 이른바 Fröhlich 조건에 기초합니다.두 성질에 관련된 방정식은 다음과 같습니다.

\displayda _{max}=syslogfrac {2\pi c}{\mega _{p}}{\syslogrt {2n_{m}^{2}+1}

$\lambda _{max}$ 서 $\lambda _{max}$ $\lambda _{max}$ x {\ $displaystyle \displayda _$ ${$ max}는 $\lambda _{max}$ 플라즈몬 공진주파수가 피크인 파장, $n_{m}$ $n_{m}$ {\ $displaystyle n_{m$ }}은 $n_{m}$ 환경의 굴절률로서 매질 $\epsilon _{m}$ {\ $displaystyle \silon$ _ ${m}}$ 의 $\epsilon _{m}$ 유전율에 관한 $n_{m}={\sqrt {\epsilon _{m}}}$ 으로서 $n_{m}={\sqrt {\epsilon _{m}}}$ $n_{m}={\sqrt {\epsilon _{m}}}$ $n_{m}={\sqrt {\epsilon _{m}}}$ = $n_{m}={\sqrt {\epsilon _{m}}}$ {m $}$ 이다. $displaystyle n_{m}=displaystyle_{m$ 더 $\omega _{p}$ p $\omega _{p}$ { $displaystyle\obega_{p}$ 는 $\omega _{p}$ 플라스몬 공명의 주파수이며 $c$ { $displaystyle$ c $}$ 는 $c$ ^[13]진공 중의 빛의 속도입니다.환경의 파장과 굴절률의 관계는 엄밀하게 선형적이지는 않지만 n ${displaystyle$ n $}$ 의 $n$ 작은 값에 대해서는 이론적인 예측이 실험 결과와 일치한다.따라서 이 관계는 플라즈몬 ^[13]공명의 파장을 측정하여 나노입자, 즉 계면층의 환경을 분석하는 데 사용할 수 있다.

열전도율

열전도율은 열을 전도하는 물질의 용량을 측정하는 것입니다.나노유체에서는 이 전도율이 용액에 부유된 나노입자에 의해 영향을 받는다.단순한 모델에서는 액체와 부유물질의 열전도율만 고려했습니다.이를 Maxwell-Garnett 모델(1891)이라고 하며 다음과 같이 정의한다.

({displaystyle {k_{f}}) {k_{f}} = flac {k_{p}+2k_{f}-2\phi(k_{f}-k_{p})}{k_{p}+2k_{f}+\phi(k_{f}-k_{p}}}}}

$k_{eff}$ $k_{eff}$ { $display$ style $k$ _ { $eff$ } 、 $k_{f}$ f { $display$ $style$ k $_$ $k_{f}$ { f $k_{f}$ } $、$ $k_{p}$ $k_{p}$ （ \ display style $k$ _ { $p$ $k_{p}$ } ）는 입자의 $\phi$ 열전도율, 유체의 열전도율 및 열전도율이고 ${\$ { $display$ style \ $phi$ }는 $k_{p}$ $\phi$ 입자의 패킹율이다.이 모델은 나노입자 주변의 유체에 의해 형성되는 계면층을 고려하지 않기 때문에 나노입자에 대해 매우 정확하지 않다.

2006년 K.C.Leong 등은 계면층의 존재를 고려한 새로운 모델을 제안했다.그들은 나노 입자 주변의 면적을 고려하여 그것이 세 개의 분리된 영역에 존재한다고 진술함으로써 그렇게 했다.각각 열전도율이 다릅니다.그 결과 다음과 같은 모델이 탄생했습니다.

\displaystyle k_{displaystyle k_{p}-k_{lr}\phi _{lr}[2\display_{l}^{3}-\display_{l}+(k_{p}+2k_{lr})\display_{l}^{l}{l}{lr}}}}

$k_{eff}$ 서 $k_{eff}$ k $k_{eff}$ f { $display style$ k _ { $eff$ } 、 $k_{p}$ $k_{f}$ \ $display style$ k _ { $p$ } 、 $k_{f}$ \ $display style$ k _ $k_{f}$ { $f$ } 、 $k_{lr}$ $k_{lr}$ \ $display style$ k _ { $lr$ } 。각각 파티클, 유체 및 계면층의 열전도율입니다. $l$ $1-\phi _{p}\beta$ \ $displaystyle$ \ $phi _$ { l $\phi _{l}$ } $\beta$ {\ $1-\phi _{p}\beta$ 、 $1-\phi _{p}\beta$ - ${\$ p β （ $\$ $\beta _{l}$ $display$ $style$ $1-\phi _{p}\beta$ 1 - \ $p ）$ 。 $\beta _{l}$ $l$ \ $displaystyle$ \ $1+\gamma$ $β$ β $1+\gamma /2$ + \ $1+\gamma /2$ $1+\gamma /2$ [ $display$ style 1 ] $/\displaystyle$ \ $displaystyle =h/a)$ 또는 $\gamma =h/a$ $\gamma =h/a$ 크기에 대한 계면층의 두께 비율.이 모델은 실험 결과와 더 일치하는 것으로 나타났지만, 열 전도율 또는 이 ^[2]층의 두께를 확립할 수 있는 이론적인 방법이 아직 없기 때문에 적용 가능성은 제한적입니다.

용해성

계면활성제의 영향을 많이 받는 나노입자의 또 다른 특성은 나노입자의 용해성이다.금속 나노 입자는 유기 용매에 잘 녹지 않을 것이라고 상상할 수 있다.계면활성제를 첨가함으로써 나노입자는 용매 전체에 더 고르게 분산된 상태를 유지할 것이다.이것은 종종 계면활성제의 양친매성 특성 때문이다.계면층은 극친수성부터 ^[14]소수성까지 다양한 매체에서 나노 입자의 용해도를 근본적으로 조절하는 데 사용될 수 있습니다.

안정성.

나노 입자의 안정성은 입자의 특정, 보통 크기에 의존적인 특성을 보존하는 것을 설명하기 위해 자주 사용되는 용어입니다.예를 들어 크기, 모양, 조성, 결정 구조, 표면 특성 또는 용액 내 분산 등을 나타낼 수 있습니다.나노 입자의 계면층은 다양한 방법으로 이러한 유형의 안정성을 도울 수 있습니다.

배위자는 나노 입자의 다른 면에 결합할 수 있으며, 그 크기와 유형은 배위자가 정렬되는 방식을 결정합니다.리간드가 입자에 부착되거나, 순서가 뒤죽박죽이거나, 그 사이의 어딘가에 있는 방법은 다른 입자들이 상호작용하는 방식에 중요한 역할을 합니다.이것은 차례로 나노 입자의 반응성에 영향을 미치는데,^[14]^[15] 이것은 입자의 안정성을 보는 또 다른 방법이다.

분석.

계면층을 분석하기 위해 다양한 기술을 사용할 수 있으며, 종종 SAXS, NMR, AFM, STM이 사용되지만 굴절률 측정과 같은 다른 방법도 정보를 밝힐 수 있습니다.

작은 각도의 X선 회절은 나노 입자의 크기와 분산에 대한 데이터를 제공하고 계면층의 밀도에 대한 정보를 제공한다.왜냐하면 산란의 양은 밀도에 비례하기 때문입니다.게다가 레이어의 두께를 추정할 수 있다.단, SAX는 ^[16]파괴적이라는 단점이 있습니다.

AFM 및 STM 측정은 계면층의 구조와 모양에 대한 원자 분해능의 정보를 나타낼 수 있습니다.이 정보는 나노입자 표면만 탐사할 수 있기 때문에 나노입자 표면에만 한정됩니다.STM의 또 다른 단점은 계면층이 ^[16]^[17]전도하고 있는 경우에만 적용할 수 있다는 것입니다.

(고체 상태) NMR을 사용하여 계면층에서의 조성, 단거리 순서 및 역학을 연구할 수 있다.동역학은 분자간 상호작용, 화학반응 및 전달현상을 ^[18]분석할 수 있는 광범위한 시간표에 걸쳐 연구될 수 있다.

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