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配体-表面界面及其对纳米粒子性质的影响
Accounts of Chemical Research ( IF 16.4 ) Pub Date : 2023-09-05 , DOI: 10.1021/acs.accounts.3c00416
Jwa-Min Nam 1 , Jonathan S Owen 2 , Dmitri V Talapin 3
Affiliation  

化学研究特刊“纳米颗粒的配体和表面化学”的客座编辑。几十年来,学术界和工业界的科学家和工程师一直在积极研究半导体、金属、磁体和其他功能材料的胶体纳米颗粒。胶体纳米粒子提供了对成核和生长以及表面反应性的特殊性的见解,而业界在纳米粒子中看到了将无机固体的典型功能与聚合物的结构灵活性和可加工性相结合的独特机会。这两项研究的核心是无机纳米粒子核心与共价或静电结合到核心表面的表面配体之间的界面(图 1)。这些表面配体是纳米材料的组成部分。它们指导纳米颗粒的形成,影响其化学反应性和电子结构,并介导与环境的相互作用。因此,核心-配体相互作用的研究以及配体多样化新方法的设计是与纳米科学密不可分的一个研究领域。图 1. 典型的胶体纳米颗粒由核心和表面配体组成。(根据 Zherebetskyy, D. 等人的修改进行改编。Science 2014 , 344 , 1380 。)本期特刊中包含的内容探讨了与纳米粒子“生命”不同阶段的纳米粒子配体的结构和功能相关的重要问题,从成核在诊断和光电设备中的应用。配体-表面键合的强度和配体的覆盖度对纳米颗粒的成核和生长具有重要影响。配体排列及其结合平衡和交换反应性的更详细表征可以告诉我们配体对纳米颗粒形成的影响。结合和交换的核心尺寸依赖性与纳米颗粒的成核和生长动力学及其与合成后纳米颗粒多分散性的联系尤其相关。核磁共振 (NMR) 光谱已被证明是原位研究表面-配体相互作用的宝贵工具,特别是考虑到其数量性质。最近,核磁共振波谱已被用来解决表面配体结合和覆盖的异质性。包括定量电子显微镜方法在内的新技术可以帮助确定配体的空间分布。表面的计算描述提供了另一种补充方法,可以在更精细的水平上理解配体壳结构。这些方法可以帮助我们了解配体引导纳米粒子形成并控制纳米粒子形状、暴露的面和最终产品的相的方式。有机和无机、分子和晶体化合物在许多方面是相互补充的。近年来,人们做出了巨大的努力,将这些世界的优点融合到混合物质中,将有机分子的多样性和模块化与无机固体的电子、热和机械特性结合起来。金属有机框架是此类杂化材料的一个很好的例子。具有有机表面配体的无机纳米粒子代表了桥接有机和无机、分子和固态成分的另一种多功能平台(图1)。在无机纳米颗粒表面添加有机功能会影响颗粒的分散性和组装性,并调节表面与其环境的相互作用。在生物学背景下,这些因素影响颗粒在组织内的分布方式并决定它们的治疗和诊断效用。表面配体还影响纳米颗粒与传感和治疗应用中特定分析物或细胞类型的相互作用。表面配体直接影响纳米颗粒主体的电子结构,并可以提高半导体量子点的光致发光效率。类似地,配体结合影响过渡金属纳米粒子表面催化反应的反应性和选择性。了解表面-配体相互作用的基本物理和化学原理可以为现实世界的应用带来更复杂的设备和催化剂。例如,纳米颗粒的突出应用之一是商业上成功的 QLED 电视,其中量子点用作颜色转换器。红外光电探测器和电致发光量子点器件的持续发展也取决于纳米粒子表面配体的优化。表面配体在所有电子和光电器件中发挥着关键作用,它们调节电子进出纳米颗粒核心的传输。此外,配体可用于通过二维和三维增材制造促进纳米晶体在器件中的集成。在许多方面,纳米粒子及其表面配体的研究是类似于有机聚合物的大分子科学的一个不断发展的分支。该学科的基础正在积极发展,商业应用的数量和重要性都在不断增长。这方面的工作还远未完成──固体分子界面的复杂性将带来许多难题和技术突破的机会。这篇文章尚未被其他出版物引用。图 1. 典型的胶体纳米颗粒由核心和表面配体组成。(改编自 Zherebetskyy, D. 等人的修改。科学 2014 年344,1380。)



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更新日期:2023-09-06
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