Szkło i półprzewodniki pokryte jednorodną, cienką warstwą nanocząstek znajdują coraz więcej zastosowań. W Instytucie Chemii Fizycznej PAN w Warszawie opracowano dwie metody wytwarzania monowarstw złota – pokryć grubości pojedynczej nanocząstki. Pierwsza z tych metod wykorzystuje zaskakujące własności roztworów z dużymi stężeniami soli, w drugiej podstawową rolę odgrywa samoorganizacja. Obie metody po raz pierwszy pozwalają wytwarzać jednorodne monowarstwy z dodatnim ładunkiem elektrycznym.

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 - mówi doktorantka Katarzyna Winkler z IChF PAN w Warszawie. Powszechnie sądzono, że zjawisko to jest przeszkodą nie do pokonania. Warszawscy chemicy udowodnili, że wcale nie.

Postanowiliśmy sprawdzić, jak zareagują nanocząstki, gdy mimo wszystko będziemy zwiększali zasolenie. I tu spotkała nas niespodzianka mówi Winkler. Okazało się, 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 typu RSH – 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 przyrządu nazywanego wagą Langmuira. Ściskanie 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 jest bardzo prosta i tania. Można ją stosować wtedy, gdy ładunek i uporządkowanie nanocząstek w warstwie nie są istotne. Produkcja warstw nanocząstek przez samoorganizację jest bardziej skomplikowana. Otrzymane warstwy są jednak wysoce uporządkowane, a ich ładunek elektryczny można precyzyjnie kontrolować.

Na podstawie informacji prasowej IChF PAN.