Modeling colloidal nanoparticles: From growth to deposition

Doctoral thesis, 2019

Metallnanopartiklar är kristallina strukturer vars mått är cirka 10 000 gånger mindre än vad det mänskliga ögat kan urskilja. Deras existens har varit känd sedan slutet på 1800-talet, men det är först med modern mättenik som deras verkliga potential har börjat uppskattas. Idag återfinns nanopartiklar av titan- och zinkoxid i solkrämer och kosmetiska produkter, men mycket av intresset grundar sig i framtida tillämpningar inom medicin och förnyelsebar energi. För dessa skall kunna förvekligas krävs dock en bättre förståelse för de fysikaliska principerna som ligger till grund för nanopartiklars egenskaper och interaktioner med sin omgivning. Här fyller datorsimuleringar en viktig funktion som ett verktyg för att utföra ”virtuella experiment” där egenskaper och förhållanden som är otillgängliga i ett traditionellt labb kan studeras.

I denna avhandlig undersöker vi med hjälp av datorsimuleringar kolloida nanopartiklar gjorda av ädelmetaller. Dessa befinner sig under större delen av sin livstid i en lösning, som vanligtvis är vattenbaserad med ytterligare tillsatta kemikalier. Kollida nanopartiklar karaktäriseras sålunda av en komplicerad kemikalisk omgivning, där molekyler och joner kan binda till partiklarnas yta och förändra deras egenskaper.  

Målet med avhandlingen är att undersöka två grundläggande typer av problem där befintliga teoretiska modeller brister. Det första problemet har att göra med beskrivningen av joner och molekyler som binder till nanopartiklarnas yta. Här kartlägger vi t ex guldnanopartiklars form som en funktion av deras kemiska omgivning och visar hur en kombination täthetsfunktionalteori med experimentell data kan leda till mer realistiska förutsägelser. Ett nära angränsande område rör tillväxten av guldnanostavar, vars avlånga form aldrig har fått en tillfredställande förklaring. Här använder vi oss av molekulärdynamiksimuleringar för att beskriva hur ett komplicerat samspel mellan molekyler på nanopartiklars yta kan förklara hur en stavform uppstår. Det andra problemområdet rör interaktioner mellan hela nanopartiklar och närliggande ytor. Här sätter vi upp en modell som beskriver hur ytans utformning och sammansättning påverkar huruvudia partiklar kan binda till den, vilket är av intresse för tillämpningar inom t ex molekylärelektronik.