Modeling colloidal nanoparticles: From growth to deposition
Doktorsavhandling, 2019

In recent decades metal nanoparticles (NPs) have been the subject of intense research. The interest stems from the NPs physicochemical properties that can be conveniently tuned through, e.g., their size, shape or composition. A good example is the selective absorption of electromagnetic radiation exhibited by gold nanorods, which is leveraged for applications in sensing and medicine. In order to realize the full potential of technologies reliant on NPs and ensure fitness for commercial use, facile fabrication methods that allow for a high degree of shape and size control are required. For this purpose, wet-chemistry-based syntheses in which colloidal NPs self-assemble into a targeted morphology have emerged as promising candidates. Development and refinement of synthesis protocols is, however, hampered by a lack of theoretical understanding of the complex chemical environment in NP solutions. As a result, experimental workers are often left to rely on intuition. This applies not only to the growth process itself, but also later down the processing chain, e.g., during NP deposition.

This thesis aims to address two problem areas relating to NP growth and deposition where current models need improvement. The first such area concerns the description of ionic and molecular adsorption on the surface of metal NPs. We show how combining thermodynamic modeling, density functional theory and experimental data can lead to more realistic NP shape predictions. A closely related subject is the growth mechanism of anisotropic gold nanorods, which has been a subject of debate for almost the three decades. Here, we consider possible avenues through which shape anisotropy can arise using insight from molecular dynamics simulations. The second problem area is the description of forces between NPs and nearby surfaces, which is relevant, e.g, for applications reliant on NP deposition. A model based on Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek theory is developed that describes how the shape and composition of a surface affects particle deposition.

density functional theory

thermodynamics

nanorods

colloidal nanoparticles

van der Waals

anisotropic

deposition

dispersive interactions

modeling

gold

DLVO

PJ-salen, Kemigården 1
Opponent: Prof. Jakob Schiøtz, Department of Physics, Technical University of Denmark, Denmark.

Författare

Joakim Löfgren

Chalmers, Fysik, Material- och ytteori

Understanding the Phase Diagram of Self-Assembled Monolayers of Alkanethiolates on Gold

Journal of Physical Chemistry C,; Vol. 120(2016)p. 12059-

Artikel i vetenskaplig tidskrift

libvdwxc: a library for exchange-correlation functionals in the vdW-DF family

Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering,; Vol. 25(2017)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Löfgren, J. Rahm, J. M. Brorsson, J. Erhart, P. Quantitative assessment of the efficacy of halides as shape-directing agents in nanoparticle growth

Khosravian, N. Löfgren, J. Moth-Poulsen, K. Erhart, P. Modeling the growth of gold nanorods

Eklöf-Österberg, J. Löfgren, J. Erhart, P. Moth-Poulsen, K. Understanding Interactions Driving the Template Directed Self-Assembly of Colloidal Nanoparticles at Surfaces

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.

Styrkeområden

Nanovetenskap och nanoteknik (2010-2017)

Ämneskategorier

Fysik

Fundament

Grundläggande vetenskaper

Infrastruktur

C3SE (Chalmers Centre for Computational Science and Engineering)

ISBN

978-91-7905-176-1

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4643

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

PJ-salen, Kemigården 1

Opponent: Prof. Jakob Schiøtz, Department of Physics, Technical University of Denmark, Denmark.

Mer information

Senast uppdaterat

2019-09-06