Hoe worden goudnanostaafjes en koolstofnanobuisjes gesynthetiseerd en wat bepaalt hun eigenschappen?

Goudnanostaafjes (Au NRs) behoren tot de meest bestudeerde een-dimensionale metalen nanomaterialen vanwege hun unieke optische en elektronische eigenschappen, die nauwkeurig kunnen worden afgestemd door kleine variaties in grootte, vorm, structuur en afstand tussen de deeltjes. Deze nanostaafjes worden meestal bereid via een zaadgemedieerde natchemische methode, waarbij in drie stappen surfactant-gestrekte goudnanodeeltjes (Au NPs) als zaden worden gemaakt door reductie van HAuCl4 met natriumborohydride, gevolgd door de groei van nanostaafjes in een milder reducerend milieu met ascorbinezuur. De zaden zijn bedekt met een CTAB (cetyltrimethylammoniumbromide) tweelaagsmembraan dat aggregatie voorkomt en stabiele suspensies garandeert. De aanwezigheid van zilverionen (Ag+) speelt een cruciale rol, omdat deze de opbrengst en kwaliteit van de nanostaafjes aanzienlijk verhogen. In aanwezigheid van Ag+ ionen kunnen tot 99% van de nanodeeltjes nanostaafjes vormen met een aspectratio tussen 1,5 en 4,5, en lengtes tot circa 100 nm. Kleine zaden bevorderen een hogere opbrengst, terwijl co-surfactanten zoals benzyldimethylhexadecylammoniumchloride of Pluronic F-127 het aspectratio nog verder kunnen vergroten tot respectievelijk 10 en zelfs 20.

Interessant is dat hogere aspectratio’s boven 80 ook kunnen worden bereikt zonder Ag+ ionen, hoewel de lengte van nanostaafjes doorgaans afneemt bij stijgende temperatuur, terwijl de breedte stabiel blijft. Door de temperatuur te verhogen daalt de diameter, waardoor het aspectratio stijgt. Nanostaafjes zijn meestal hydrofiel en worden gestabiliseerd door elektrostatistische aantrekking van CTAB of door covalente binding van hydrofiele thiolen. Hydrofobe nanostaafjes zijn zeldzamer en worden soms gemaakt via een coating van octadecyltrimethoxysilaan, al dan niet gecombineerd met een silicakern.

Wat betreft halfgeleider nanorodjes zijn er materialen van uiteenlopende aard zoals Si, ZnO, ZnS, CdS, CdSe, TiO2 en SnO2. Deze worden bereid via methodes zoals solvothermale synthese of de vapor-liquid-solid (VLS) techniek, waarbij hoge temperaturen en metalen katalysatoren zoals Au, Cu of Ni noodzakelijk zijn. Een opmerkelijke toepassing is het gebruik van vloeibare kristallen als sjablonen die de stabilisatie van nanorodjes tijdens synthese bevorderen.

De combinatie van hoge oppervlakte-tot-volume verhouding, stabiele covalente bindingen tussen koolstofatomen (sp2) en specifieke morfologie maakt deze materialen buitengewoon geschikt voor toepassingen in nano-elektronica, opto-elektronica en als structurele versterkingen.

Naast deze materiële eigenschappen is het essentieel te beseffen dat de syntheseomstandigheden—temperatuur, aanwezigheid van katalysatoren, surfactanten, en het soort gebruikte zaden—direct invloed hebben op de morfologie, kristalstructuur en functionele eigenschappen van de nanomaterialen. Dit benadrukt het belang van precisie in procescontrole voor het bereiken van gewenste kenmerken.

Verder is het belangrijk om te begrijpen dat hoewel het primaire aandachtspunt vaak ligt bij de fysische en chemische eigenschappen van de nanorodjes en nanotubes, de interactie met de omgeving, zoals stabiliteit in suspensie, interacties met polyelektrolyten, en oppervlaktetempering via coatings, minstens zo bepalend zijn voor hun inzetbaarheid in technische en biomedische toepassingen. De wijze waarop de nanomaterialen in systemen worden geïntegreerd, bepaalt mede hun prestaties en bruikbaarheid in geavanceerde technologieën.

Wat beïnvloedt de stabiliteit van blauwe fasen in vloeibare kristallen?

De stabiliteit van blauwe fasen (BP) in vloeibare kristallen wordt beïnvloed door verschillende factoren, waaronder de chirale eigenschappen, temperatuur, druk, de elastische constanten van Frank, de orientatieparameter S in de N*-fase, de draaiing van de richting, en meer. Onder deze factoren is de chirale eigenschap het meest bepalend voor de stabiliteit van de blauwe fasen. In aanvulling op de chirale eigenschappen heeft de gefrustreerde structuur van het kristal een belangrijke invloed op de stabiliteit van BPs.

Bovendien blijkt uit de bevindingen van Miller en Gleeson dat de twist-elastische constante K2 geen duidelijke correlatie vertoont met het aantal koolstofatomen in de alkylketen van de nematische component. In plaats daarvan werd opgemerkt dat mengsels met een langere pitch (d.w.z. lagere chirale eigenschappen) de breedste temperatuurstabiliteit van de blauwe fasen vertoonden, wat tegen de verwachtingen inging. Dit suggereert dat de stabiliteit van blauwe fasen op een onverwachte manier afhangt van de structuur van het mengsel.

Een andere belangrijke studie van Hur et al. toonde aan dat de thermische stabiliteit van blauwe fasen I (BPI) sterk afhankelijk is van de elastische constanten van de gastvloeistof. Ze ontdekten dat de BPI-stabiliteit verhoogde wanneer de verhouding tussen de buiging- en spreidingse elastische constanten (K3/K1) kleiner werd. Dit kwam overeen met de theoretische voorspellingen en benadrukte het belang van deze elastische constanten voor de thermische stabiliteit van blauwe fasen. Hur et al. lieten ook zien dat het gebruik van zogenaamde bent-core moleculen in mengsels van nematische vloeibare kristallen een effectieve manier is om de temperatuurstabiliteit van blauwe fasen te vergroten. Mengsels met verschillende concentraties bent-core moleculen vertoonden een significant grotere temperatuurrange voor BPI in vergelijking met conventionele mengsels zonder bent-core moleculen.

Daarnaast werd in de studie van Hur et al. opgemerkt dat de aanwezigheid van bent-core moleculen resulteerde in een grotere stabiliteit van BPI bij lagere verhoudingen van K3/K1, wat de eerdere bevindingen over de invloed van elastische constanten bevestigde. Dit suggereert dat de manier waarop de moleculaire structuur van een mengsel is samengesteld, essentieel is voor het optimaliseren van de stabiliteit van blauwe fasen.

Wat betreft de eigenschappen van de blauwe fasen zelf, werd gemeten dat de BPI en BPII een niet-nul elastische schuifmodulus vertonen, wat typisch is voor kristallen, ondanks het feit dat ze vloeibare kristallen zijn. Deze eigenschap wijst op een zekere weerstand tegen statische schuifbewegingen. Het werd ook vastgesteld dat de elastische schuifmodulus van blauwe fasen ongeveer een miljoen keer kleiner is dan die van conventionele vaste stoffen, maar toch significant genoeg om de bijzondere eigenschappen van deze fasen aan te tonen.

Het is belangrijk te begrijpen dat de eigenschappen van blauwe fasen, waaronder de optische rotatie, invloed kunnen hebben op de prestaties van opto-elektronische toepassingen zoals displays. De rotatiewaarde kan worden beïnvloed door de samenstelling van het mengsel en de temperatuur, wat van cruciaal belang is voor het ontwerpen van materialen die stabiliteit en prestaties combineren. Toepassingen die gebruik maken van blauwe fasen kunnen bijvoorbeeld de manier verbeteren waarop ze reageren op licht, waardoor ze beter kunnen worden gebruikt in optische apparaten die nauwkeurige controle over lichtpolarizatie vereisen.

In de toekomst kunnen we verwachten dat nieuwe ontdekkingen in de moleculaire structuur van vloeibare kristallen, evenals in de elastische en optische eigenschappen van blauwe fasen, een verdere verfijning mogelijk maken van de toepassingen van vloeibare kristallen in technologieën zoals displays, lichtmodulatie en fotonica.