ダイヤモンド格子に組み立てられたコロイド状ナノ粒子

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ビデオ: 【高校化学】結晶格子⑥(共有結晶:ダイヤモンド型)【理論化学】 2022, 12月
ダイヤモンド格子に組み立てられたコロイド状ナノ粒子
ダイヤモンド格子に組み立てられたコロイド状ナノ粒子
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化学者たちは、コロイド粒子から立方体のダイヤモンド格子を組み立てることができました。このような結晶格子を持つ構造は、光の自然放出を抑制することができるため、光導波路、フィルター、またはレーザー共振器の作成に役立ちます。作品はジャーナルネイチャーに掲載されました。

コロイド結晶は通常、自己組織化によって溶液から得られます。最も単純な場合の重力の作用下での溶液中の小さな不溶性粒子は、規則正しい構造に集められます。粒子が整列する方法を理解するために、さまざまな分子をそれらに縫い付けることができます。これらの分子は、溶液中で結合し、粒子から特定の構造を形成します。ほとんどの場合、構造を形成するこの方法は、フォトニック結晶の製造に使用されます。立方体のダイヤモンド格子に集められたコロイド粒子は、優れた光学特性を備えた材料を構成します。自然放出を抑制し、集光が必要な技術の向上に活用できます。ダイヤモンド格子(格子サイトでは炭素を含む必要はありません-この場合、この格子の構造のみが重要です)は、一般的な面心格子とは対照的に、バンドギャップが広く、欠陥の影響を受けにくくなっています。 。また、ダイヤモンド構造を作るには、屈折率差が約2倍の材料が必要であり、これは既知の材料で実現できます。ただし、ダイヤモンド格子の自己組織化のプロセスは、面心格子の形成よりも技術的な観点からはるかに複雑です。

ニューヨーク大学のDavidJ Pineが率いる科学者は、立方体のダイヤモンド格子を組み立てる際の困難を克服し、コロイド粒子からそれらに基づいて構造を作成することができました。

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(a)2種類の粒子(白と紫)を持つ立方晶の結晶格子、黄色の点は原子間の結合、(b)日食と階段状のコンフォメーション、(c)左側の粒子は接続領域の周りを自由に回転できます。中央の構造はチェッカーボードパターンに配置されている場合にのみ接続され、関連する不均一な粒子はリングを結合します。これは、立方格子を形成するために必要です(右)、(d)粒子サイズが小さく、結合が見える立方格子それらの間で、(e)実際の粒子サイズの立方格子。

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(a)小さな液滴(青)の周りに4つのポリスチレン粒子(白)を組み合わせ、続いて粒子の変形と中心の押し出しおよび重合、(b)形成されたクラスターの走査型電子顕微鏡画像、(c)圧縮比、( d)サイズ比。

与えられた結晶格子を形成することの難しさは、粒子を組み合わせる方法にあります。それぞれが結合部位(接着剤の一種)を持っている2つの球形の粒子をとると、それらは任意の角度と方向で互いにくっつくことができます。これを防ぐために、著者らは、単一の粒子ではなく、四面体に組み立てられた4つの粒子のクラスターを使用しました。このようなクラスターは、1つの方法でのみ接続できます。チェッカーボードパターンで、ダイヤモンド結晶格子の自己組織化を簡素化します。クラスターの形で四面体を選択するのは偶然ではありません。ダイヤモンドの結晶格子のサイトにある粒子の結合が正確に四面体を形成します。

実験のために、科学者はポリマーの液滴と組み合わされた固体ポリスチレンナノ粒子を使用しました。液体成分と固体成分の特定の比率では、必要な正方晶粒子の形成が可能です。外部パラメータ(温度、圧力)の変化は、四面体の粒子間の距離に影響を与え、それらのサイトで異なる素粒子との格子を形成することを可能にしました。

科学者たちは、走査型電子顕微鏡を使用して得られた構造をチェックし、蛍光を測定しました。彼らは、正方晶粒子を形成する前に液滴に蛍光標識を追加し、次に顕微鏡下で最終構造を観察しました。これらの画像は、コロイド粒子からダイヤモンドの立方格子をモデル化した結果と高精度で一致しました。

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(a)共焦点顕微鏡における表面の六角形対称の画像、蛍光信号は粒子の中心から得られます、(b)、(c)2種類の表面の拡大画像とそれらのコンピューターシミュレーション(d)、 (e)。 (f)走査型電子顕微鏡での表面の画像、(g)結晶の側面図、約10〜20個の粒子の厚さ、(h)表面の拡大画像

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屈折率が異なる順方向および逆方向グレーティングの相対バンドギャップ(幅を中心周波数で割ったもの)。灰色の線は、保護酸化物層を備えたシリコン逆格子です。挿入-立方体のダイヤモンドの逆格子。

収集された構造の屈折率は、可視および近赤外波長でのフォトニック結晶の形成には不十分であることがわかった。この問題を解決するために、著者は逆格子を作成しました。彼らは最終的な結晶をステンシルとして使用し、それらの空きスペースをより高い屈折率の材料(酸化チタン-2.6およびシリコン-3.4)で満たし、コロイド粒子を除去しました。逆格子はバンドギャップが広く、これはフォトニック結晶にとって重要です。さらに、正方晶粒子の密度を変更することで制御でき、結晶はさまざまな波長で使用できます。

コロイド結晶は、光学素子の作成だけでなく使用されます。たとえば、日本の化学者はコロイド結晶を使用して色を変える新しいタイプの染料を合成しました。そして、量子ドットは、アメリカの化学者がシクロブタン誘導体を得る反応を触媒するために行ったように、コロイド粒子として使用することができます。

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