Metody syntezy supercienkich nanowarstw opracowane w IChF PAN

W Instytucie Chemii Fizycznej PAN w Warszawie opracowano dwie metody wytwarzania monowarstw złota. W pierwszej z nich wykorzystano zaskakujące własności roztworów z dużymi stężeniami soli, a w drugiej podstawową rolę odgrywa samoorganizacja. Obie metody po raz pierwszy pozwalają wytwarzać jednorodne monowarstwy z dodatnim ładunkiem elektrycznym - podano w komunikacie IChF PAN.

Powierzchnie szklane i krzemowe w kontakcie z wodą mogą spontanicznie generować ujemny ładunek elektryczny. Osadzenie na nich z roztworu bardzo cienkich, a przy tym jednorodnych warstw z dodatnio naładowanych nanocząstek złota wydawało się dotychczas niemożliwe. Nanocząstki grupowały się i zamiast tworzyć jednorodną warstwę, formowały na podłożu liczne skupiska. Aby zmniejszyć zasięg oddziaływań elektrostatycznych między nanocząstkami, chemicy zwykle dodawali do roztworu roboczego soli. Jej ujemne jony częściowo ekranowały nanocząstki i te mogły osadzać się gęściej.

"Rozwiązanie było dalekie od idealnego, bo im więcej dodajemy soli, tym bardziej destabilizujemy cały układ. W rezultacie od pewnego jej stężenia nanocząstki zaczynają wytrącać się z roztworu w postaci agregatów", zauważa doktorantka Katarzyna Winkler z Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) w Warszawie.

Naukowcy z IChF PAN zauważyli, że w pewnym przedziale dużych stężeń soli roztwór roboczy odzyskuje stabilność i znajdujące się w nim nanocząstki przestają agregować, a jednocześnie wciąż zachowują zdolność oddziaływania z podłożem. "Najprawdopodobniej mamy do czynienia z jakimś efektem elektrostatycznym. Odkrycie jest jednak tak świeże, że dokładna natura zjawiska jeszcze nie została przez nas poznana", komentuje dr hab. Marcin Fiałkowski, prof. IChF PAN.

W drugiej metodzie jednorodnego pokrywania podłoży nanocząstkami podstawową rolę odgrywa samoorganizacja. Nanocząstki złota były najpierw pokrywane tiolami, czyli cząsteczkami zawierającymi podstawnik R oraz grupę zbudowaną z atomu siarki S i wodoru H. W doświadczeniach stosowano tiole hydrofilowe z ładunkiem elektrycznym oraz hydrofobowe bez ładunku. Otoczone tiolami nanocząstki trafiały następnie na powierzchnię wody. "Jeśli odpowiednio dobierzemy proporcje między tiolami z ładunkiem i bez, to nanocząstki znajdujące się na powierzchni wody zaczną zachowywać się jak spławiki. Nie utoną, ale samoczynnie uformują monowarstwę", opisuje dr Volodymyr Sashuk z IChF PAN.

Otrzymaną dzięki samoorganizacji warstwę nanocząstek na powierzchni wody można ścisnąć mechanicznie za pomocą wagi Langmuira. ŚŒciskanie powoduje, że nanocząstki, nawet gdy są pokryte tiolami o tym samym ładunku, znacznie się do siebie zbliżają. "Teraz aby przenieść tak otrzymaną monowarstwę na podłoże szklane wystarczy skorzystać z metody Langmuira-Blodgett. W tym celu na sterowanym komputerowo wysięgniku umieszczamy płytkę szklaną i powoli zanurzamy ją w wodzie lub wynurzamy z niej. Nanocząstki z warstwy powierzchniowej przyłączają się wtedy do płytki", mówi dr Sashuk.

Pierwsza z opisanych metod charakteryzuje się dużą prostotą, jest również bardzo tania. Można ją stosować wtedy, gdy ładunek i uporządkowanie nanocząstek w warstwie nie są istotne. Przepis pozwala na formowanie warstw nie tylko na szkle, ale również na podłożach półprzewodnikowych. W ten sposób można otrzymać np. powierzchnie krzemowe pokryte nanocząstkami złota, które w dalszej obróbce inicjowałyby wzrost nanodrutów. Produkcja warstw nanocząstek poprzez samoorganizację jest bardziej skomplikowana. Otrzymane warstwy charakteryzują się jednak wysokim uporządkowaniem, a ich ładunek elektryczny można precyzyjnie kontrolować.

IChF PAN

Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (http://www.ichf.edu.pl/) został powołany w 1955 roku jako jeden z pierwszych instytutów chemicznych PAN. Profil naukowy Instytutu jest silnie powiązany z najnowszymi światowymi kierunkami rozwoju chemii fizycznej i fizyki chemicznej. Badania naukowe są prowadzone w 9 zakładach naukowych. Działający w ramach Instytutu Zakład Doświadczalny CHEMIPAN wdraża, produkuje i komercjalizuje specjalistyczne związki chemiczne do zastosowań m.in. w rolnictwie i farmacji. Instytut publikuje około 200 oryginalnych prac badawczych rocznie.

(pj)