Введение к работе
Актуальность темы. Проблема конструирования высокоупорядочен-
ных двумерных ансамблей наночастиц (НЧ) металлов (в первую очередь, - благородных) приобрела особую значимость к концу 90-тых годов. Именно в это время стало очевидным, что такие ансамбли могут быть с успехом использованы в качестве рабочих элементов как твердотельных хемо- и биосенсоров, так и целого ряда устройств нанооптики и нанофотоники, функционирующих на эффекте локализованного поверхностного плазмонного резонанса (ЛППР). Позже выяснилось, что они являются и весьма перспективными «платформами» для синтеза упорядоченных наноструктур на основе углерода, оксидов металлов и других соединений методом осаждения из паровой фазы, стимулированного плазмонным резонансом (plasmon-assisted chemical vapor deposition).
На сегодняшний день, однако, физико-химические методы создания упорядоченных 20-ансамблей НЧ металлов с варьируемыми в широком диапазоне характеристическими размерами (т.е. размером самих НЧ и расстоянием между ними) практически отсутствуют. Поэтому разработка таких методов, несомненно, актуальна. Кроме того, несмотря на значительные усилия исследователей, по-прежнему очень мало систематических экспериментальных данных о влиянии морфологии упорядоченных 20-ансамблей НЧ металлов на их плазмонно-резонансные свойства. В то же время без получения и анализа такой информации невозможно решение нанотехнологических задач, о которых сказано выше.
Цели работы
Разработка физико-химических методов конструирования высокоупо-рядоченных двумерных ансамблей монодисперсных НЧ металлов, позволяющих направленно и в максимальной степени широко варьировать их характеристические размеры.
Установление закономерностей влияния геометрии ансамблей и морфологии НЧ металлов на их плазмонно-резонансные свойства.
Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи.
На основе обзора литературных данных выбрать базовый методический подход для решения проблемы конструирования высокоупорядоченных двумерных ансамблей НЧ различных металлов.
Исследовать влияние физико-химических условий формирования ансамблей НЧ с использованием мицелл диблоксополимеров в качестве темплата на характеристические размеры таких наноструктур. На основе полученных экспериментальных данных предложить эффективные способы управления геометрией ансамблей металлических НЧ.
Разработать методики, позволяющие увеличивать размер НЧ (путем их «доращивания» или формирования на них оболочки из другого металла) и направленно изменять расстояние между ними.
Определить взаимосвязи между морфологией двумерных ансамблей НЧ и их плазмонно-резонансными свойствами.
Исследовать возможность «встраивания» упорядоченных ансамблей НЧ золота в полимерную подложку, т.е. формирования двумерных поверхностных нанокомпозитов полимер/металл.
Основные методы исследования: в работе применяли атомно-силовую микроскопию (АСМ), динамическое рассеяние света (ДРС), просвечивающую электронную микроскопию (ПЭМ), спектрофотомерию в видимой и ближней инфракрасной областях спектра, рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (РФЭС).
Научная новизна:
- получены систематические количественные данные о влиянии строения макромолекул диблоксополимеров (ДБС) стирола и 2-винилпиридина, природы и содержания прекурсора на характеристики мицелл ДБС и образуемых ими пленок-темплатов;
определена взаимосвязь физико-химических условий формирования мономицеллярных пленок ДБС с характеристическими размерами и степенью упорядоченности получаемых на их основе ансамблей НЧ металла;
впервые продемонстрирована возможность создания высокоупорядоченных двумерных ансамблей биметаллических частиц со структурой Аи-ядро/А-оболочка;
- разработан оригинальный метод варьирования в широких пределах расстояния между НЧ в их упорядоченном планарном ансамбле за счет макроскопической деформации полимерной подложки;
- впервые систематически исследовано влияние размера и состава метал
лических НЧ, а также расстояния между ними на плазмонно-резонансные свой
ства упорядоченного 20-ансамбля;
- предложен способ формирования высокоупорядоченных двумерных
«поверхностных» нанокомпозитов полимер/металл, и получены количествен
ные данные об изменении оптических характеристик ансамбля НЧ золота при
его встраивании в полимерную подложку;
- показано, что мицеллы дифильных диблоксополимеров могут быть эф
фективно использованы и для создания 20-массивов НЧ кремнезема с гексаго
нальной упаковкой.
Практическая значимость работы
В ходе выполнения работы получены результаты, обладающие несомненной практической ценностью. Впервые разработаны физико-химические методы конструирования высокоупорядоченных планарных ансамблей НЧ металлов с варьируемыми в широком диапазоне характеристическими размерами, в том числе, встроенных в поверхностный слой полимерной подложки. Положение и интенсивность ЛППР таких ансамблей очень чувствительны к их морфологии (размеру НЧ и расстоянию между ними). Это открывает возможности для использования подобных наноструктур в качестве рабочих элементов твердотель-
ных сенсоров, позволяющих количественно анализировать разнообразные жидкие среды на наличие как ионов металлов, так и восстановителей разной природы, в том числе и биологического происхождения.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях: Всероссийской конференции по макромолекуляр-ной химии (Улан-Удэ, 2008), XV и XVI Всероссийских конференциях «Структура и динамика молекулярных систем» (Казань, 2008 и 2009 гг.), II Международном форуме по нанотехнологиям (Россия, Москва, 2009), Московских конференциях-конкурсах молодых ученых, аспирантов и студентов «Физикохимия - 2009» и «Физикохимия - 2011» (Москва, 2009 и 2011 гг.), 5-й Всероссийской Каргинской конференции «Полимеры - 2010» (Москва, 2010 г.), XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011).
Публикации
Основное содержание диссертации изложено в 4-х статьях, в том числе в 3-х - в журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования основных научных результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук, а также в тезисах 7 докладов на конференциях.
Личный вклад автора состоит в постановке и проведении экспериментов, анализе и обобщении результатов исследований, написании статей по теме диссертационной работы.
Объем и структура диссертации
Диссертационная работа изложена на 126 страницах, содержит 3 таблицы, 45 рисунков и состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, обсуждения результатов, основных выводов и библиографического списка, содержащего 156 ссылок на цитируемые литературные источники.
