美国西北大学JACS:在聚合物纳米反应器中,无窗观察Au-Pt纳米粒子蒸发诱导粗化


【引言】

纳米粒子和溶剂之间的相互作用,对于形成复亚稳态纳米结构非常重要。但是采用传统的液体电池透射电子显微镜(TEM),直接观察是非常困难的。那么如何才能观察到纳米粒子的聚合过程中的变化呢?本文发现了一种非常重要的无窗系统,可以直接观察Au-Pt纳米颗粒的形成过程。

【成果简介】

近日,美国西北大学Vinayak P. DravidChad A. Mirkin(共同通讯)作者等人,在无定形碳膜上扫描探针嵌段共聚物光刻(SPBCL)沉积的聚合物纳米反应器,构成的无窗系统,观察溶剂蒸发的超细Au-Pt双金属纳米粒子粗化现象。在这种反应器中,金属离子前体原位合成均匀的Au-Pt纳米颗粒。聚合物薄膜的不均匀蒸发使纳米颗粒集中,加速聚合物边缘处的聚结动力学。本文通过聚结的粒子力的定性分析,聚合物边缘引起的毛细管效应,分析其在该过程中起着的重要作用。这项工作分析了溶剂的作用,揭示纳米粒子在多元纳米结构合成过程中的粗化行为,提供SPBCL过程中,形成纳米粒子的方法。相关成果以Windowless Observation of Evaporation-Induced Coarsening of Au–Pt Nanoparticles in Polymer Nanoreactors”为题发表在JACS上。

【图文导读】

1无定形碳膜聚合物纳米反应器图

(A)纳米反应器阵列的HAADF图;

(B)纳米反应器阵列的AFM图;

(C)三个纳米反应器圆顶的AFM高度图;

(D)纳米反应器的9个AFM高度轮廓的外推接触角图。

2聚合物纳米反应器中,局部电子辐射形成的Au-Pt纳米颗粒图

(A)不同的前体的聚合物纳米反应器中,Au含量EDS分析图;

(B)FFT径向强度分布与高斯拟合Au和Pt{111}反射区域的函数图(插图:Au-Pt纳米颗粒的典型HRTEM图像)。

3电子辐射,不均匀地蒸发聚合物图

(A)聚合物随时间变化的假彩色HAADF图像;

(B)聚合物蒸发过程的三阶段示意图;

(C)聚合物蒸发区域的平均(黑色)和最强(蓝色)的HAADF图。

4非均匀聚合物蒸发引起的Au-Pt纳米颗粒的迁移图

(A)降噪ADF图像和Au-Pt纳米颗粒的追踪图;

(B)灯丝区域纳米粒子和灯丝中心距离的扫描数量函数图;

(C)跟踪纳米粒子的扫描数量函数图。

5 Au-Pt纳米粒子的常规动力学聚结图

(A,C)序列彩色增强的纳米粒子聚结的降噪ADF图;

(B,D)边缘距离和每个NP对的线性拟合的扫描数量函数图。

6流体边缘颗粒的状态分析图

(A)自上而下的流体边缘的粒子模型示意图;

(B)z方向上颗粒的毛细管力与流体边缘总颗粒尺寸的相对位置函数图。

【小结】

本文研究了SPBCL过程的早期阶段,较小的颗粒粗化,形成较大的多组分纳米颗粒。在SPBCL工艺中,聚合物分解可能不均匀,如碳残留物的空间分布,纳米粒子粗化阶段期间的聚合物分解,加速小的纳米粒子局部聚集成中等粒径;但是会阻碍纳米反应器中,剩余颗粒的粗化和纳米颗粒的聚合。值得注意的是,大量的金属离子前体,可用于聚合物纳米反应器。因此,研究更复杂的多组分纳米粒子的相互作用,其他非挥发性溶剂体系,如离子液体也可以使用纳米反应器进行探索。该策略应该提供一种策略,深入分析流体分散体中,复杂纳米颗粒的动力学和相互作用。

文献链接:Windowless Observation of Evaporation-Induced Coarsening of Au–Pt Nanoparticles in Polymer Nanoreactors(JACS, 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b03105)。

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