Нанокристаллы оксида цинка подвергаются ориентированному прикреплению и выступают в качестве модельной системы для понимания сил за пределами традиционных рамок. Кредит: Лили Лю | Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория
Сложное взаимодействие энергетики и динамики управляет поведением нанокристаллов в растворе. Эта динамика обычно интерпретируется в терминах теории, разработанной Дерягиным, Ландау, Вервеем и Овербиком (DVLO), и понимание этих сил особенно важно для управления ориентированным присоединением (OA), где отдельные нанокристаллы сливаются вместе в определенных выравниваниях.
В новом исследовании, опубликованном в ACS Nano, исследователи исследовали влияние сил, не учтенных в теории DLVO, на модельную систему оксида цинка (ZnO), подвергающуюся OA. Они обнаружили, что движущими силами присоединения являются диполь-дипольные силы, которые не учитываются в теории DLVO.
Дипольные силы приводят к более быстрому присоединению в менее полярных растворах, что подтверждено расчетами, учитывающими силы, не относящиеся к DLVO. Исследователи также показали, что короткодействующие отталкивающие силы, замедляющие присоединение, зависят от природы растворителя, в частности, от его молекулярной упаковки и межмолекулярных взаимодействий.
Исследователи исследовали не-DLVO силы, которые регулируют динамику и результаты агрегации частиц, ковыравнивания и присоединения в системе модели ZnO. Они исследовали влияние диполь-дипольных взаимодействий на дальнодействующие силы и крутящие моменты, которые управляют сближением и выравниванием частиц, объединяя наблюдения in situ с помощью просвечивающей электронной микроскопии событий OA с моделированием динамики Ланжевена с использованием ряда растворителей.
Сравнение величины этих сил с электростатическими и ван-дер-ваальсовыми силами, рассчитанными с использованием теории DLVO, показало, что не-DLVO силы доминируют и дают обоснование расхождений, наблюдаемых в различных растворителях.
Они также исследовали короткодействующие силы отталкивания, возникающие из-за структуры растворителя вблизи поверхности ZnO, с помощью 3D атомно-силовой микроскопии. Сила сольватации сильнее в воде по сравнению с этанолом и метанолом из-за более прочной водородной связи и более плотной упаковки молекул воды на границе раздела.
Эти результаты подчеркивают важность разрешения и количественной оценки не-DLVO сил для создания общей структуры для понимания и прогнозирования синтеза материалов посредством агрегации и присоединения частиц.
Исследователи создали впечатляющий массив наноматериалов с уникальными свойствами, такими как коллоидные кристаллы, мезокристаллы, сильно разветвленные нанопровода и адаптивные материалы, которые обратимо реагируют на внешние стимулы.
Для дальнейшего развития этой области и разработки прогностического понимания поведения агрегации и присоединения частиц необходимо выйти за рамки традиционных коллоидных теорий, таких как DLVO. Определение различных сил, действующих в OA, позволит исследователям создавать условия, которые создают определенные конечные структуры наноматериалов, необходимые для приложений.
Дополнительная информация: Лили Лю и др., Влияние состава растворителя на силы, не связанные с DLVO, и ориентированное присоединение наночастиц оксида цинка, ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.4c01797
Информация о журнале: ACS Nano
Предоставлено Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией
