Наночастицы находят разнообразное применение в современной науке и промышленности, лежа в основе таких технологий, как квантовые точечные дисплеи, нанокатализаторы и доставка лекарств. Их уникальные физико-химические свойства, которые можно настраивать, изменяя размер и форму, делают их весьма привлекательными.
Однако, несмотря на обширные исследования, точные механизмы и динамика формирования и роста монодисперсных наночастиц (наночастиц одинакового размера) остаются недостаточно изученными.
Классическая теория нуклеации (КТН)
Классическая теория нуклеации, основанная на уравнении Гиббса-Томсона, уже более века является основной для понимания роста наночастиц. Однако эта теория не может объяснить, почему системы наночастиц достигают равномерных диапазонов размеров.
Недавние исследования
Недавние исследования использовали жидкофазовую просвечивающую электронную микроскопию (ЖПЭМ) отдельных наночастиц, чтобы выявить сложную природу динамики их роста. Тем не менее, даже до появления таких передовых методов количественное понимание более ранних экспериментальных наблюдений динамики роста наночастиц оставалось неуловимым.
Прорывное исследование
Группа учёных под руководством профессора Джеджун Сонга из Департамента химии и Глобального научно-исследовательского центра по системной химии Университета Чунганг в Южной Корее разработала новую модель и теорию для объяснения мультифазной динамики роста ансамблей наночастиц.
Профессор Джонвон Парк из Сеульского национального университета объясняет: «Траектории роста ансамблей наночастиц в реальном времени, полученные в ходе нашего эксперимента с ЖПЭМ, побудили профессора Сонга разработать новую теорию растущих систем наночастиц».
«Эта теория знаменует фундаментальный сдвиг в нашем понимании формирования наночастиц и их временной эволюции», — сказал заслуженный профессор Тэгван Хён, директор Центра исследований наночастиц Института фундаментальных наук в Южной Корее.
Профессор Джонвон Парк и профессор Тэгван Хён руководили экспериментальными исследованиями в этом сотрудничестве. Они являются ведущими экспертами в области ЖПЭМ и синтеза наночастиц соответственно. Это междисциплинарное исследование было опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Результаты исследования
Используя ЖПЭМ, исследователи напрямую наблюдали траектории роста сотен коллоидных наночастиц размером в несколько нанометров в реальном времени. Результаты показали, что наночастицы демонстрируют сложную динамику роста, зависящую от размера, с несколькими кинетическими фазами.
В каждой из этих кинетических фаз статистика размера наночастиц и их рост, зависящий от размера, показывали явные вариации. Также было обнаружено, что наночастицы сливаются только в небольшом локализованном временном окне. Эти наблюдения необъяснимы ранее представленными теориями.
Новая модель и теория
На основе этих выводов команда разработала новую модель и теорию роста наночастиц. Эта модель учитывает шесть основных характеристик роста наночастиц, включая энергию наночастиц, форму, конфигурационную вырожденность, коэффициент диффузии мономера и скорость ассоциации мономеров на поверхности наночастиц.
Новая теория также учитывает перемещение, вращение и вибрацию наночастицы, а также её взаимодействие с окружающими молекулами — факторы, которые не учитывались в КТН.
В результате эта новая теория даёт свежие физические представления о роли движения наночастиц и конфигурационной вырожденности в их зарождении и росте, а также беспрецедентное количественное объяснение экспериментальных данных о динамике роста наночастиц.
Она также имеет широкую применимость, подтверждённую на различных наночастицах, включая наночастицы платины, синтезированные с использованием различных прекурсоров, а также наночастицы оксидов металлов и полупроводников в различных экспериментальных условиях.
Интересно, что эта теория предсказывает, что более мелкие наночастицы могут расти, в то время как более крупные — растворяются, что прямо противоречит классической картине старения по Оствальду. Это замечательное новое представление объясняет, почему системы наночастиц демонстрируют равномерное распределение размеров и динамику фокусировки размеров.
«Эта работа позволяет понять временные распределения размеров наночастиц и их динамику роста в терминах фундаментальных принципов физики и химии», — сказал профессор Сонг.
«Эта общая теория также может быть использована для понимания формирования биологических конденсатов и агрегации, которые происходят при многих нейродегенеративных заболеваниях, включая болезнь Альцгеймера», — добавил он.
«Однако понимание — это одно, а предсказание — другое. Вместе с достижениями в области искусственного интеллекта и вычислительной химии наша теория предлагает новую основу для предсказуемого синтеза наночастиц, представляя собой захватывающее новое направление для исследований наночастиц. Эти знания окажутся полезными для разработки наночастиц по индивидуальному заказу для промышленного применения, такого как проектирование катализаторов, производство полупроводников и доставка лекарств», — заключает профессор Сонг.