Szkło i półprzewodniki pokryte jednorodną, cienką warstwą nanocząstek znajdują coraz więcej zastosowań. W Instytucie Chemii Fizycznej PAN w Warszawie opracowano dwie metody wytwarzania monowarstw złota - pokryć grubości pojedynczej nanocząstki. W jednej wykorzystano zaskakujące własności roztworów z dużymi stężeniami soli, w drugiej podstawową rolę odgrywa samoorganizacja. Obie metody po raz pierwszy pozwalają wytwarzać jednorodne monowarstwy z dodatnim ładunkiem elektrycznym.

Powierzchnie szklane i krzemowe w kontakcie z wodą mogą spontanicznie generować ujemny ładunek elektryczny. Osadzenie na nich z roztworu bardzo cienkich, a przy tym jednorodnych warstw z dodatnio naładowanych nanocząstek złota wydawało się dotychczas niemożliwe. Nanocząstki grupowały się i zamiast tworzyć jednorodną warstwę, formowały na podłożu liczne skupiska. Aby zmniejszyć zasięg oddziaływań elektrostatycznych między nanocząstkami, chemicy zwykle dodawali do roztworu roboczego soli. Jej ujemne jony częściowo ekranowały nanocząstki i te mogły osadzać się gęściej.

"Rozwiązanie było dalekie od idealnego, bo im więcej dodajemy soli, tym bardziej destabilizujemy cały układ. W rezultacie od pewnego jej stężenia nanocząstki zaczynają wytrącać się z roztworu w postaci agregatów", zauważa doktorantka Katarzyna Winkler z Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) w Warszawie. Powszechnie sądzono, że zjawisko to jest przeszkodą nie do pokonania. "My postanowiliśmy sprawdzić, jak zareagują nanocząstki, gdy mimo wszystko będziemy zwiększali zasolenie. I tu spotkała nas niespodzianka", mówi Winkler.

Naukowcy z IChF PAN zauważyli, że w pewnym przedziale dużych stężeń soli roztwór roboczy odzyskuje stabilność i znajdujące się w nim nanocząstki przestają agregować, a jednocześnie wciąż zachowują zdolność oddziaływania z podłożem. "Najprawdopodobniej mamy do czynienia z jakimś efektem elektrostatycznym. Odkrycie jest jednak tak świeże, że dokładna natura zjawiska jeszcze nie została przez nas poznana", komentuje dr hab. Marcin Fiałkowski, prof. IChF PAN.

W drugiej metodzie jednorodnego pokrywania podłoży nanocząstkami podstawową rolę odgrywa samoorganizacja. Nanocząstki złota były najpierw pokrywane tiolami, czyli cząsteczkami typu RSH - zawierającymi podstawnik R oraz grupę zbudowaną z atomu siarki S i wodoru H. W doświadczeniach stosowano tiole hydrofilowe z ładunkiem elektrycznym oraz hydrofobowe bez ładunku. Otoczone tiolami nanocząstki trafiały następnie na powierzchnię wody. "Jeśli odpowiednio dobierzemy proporcje między tiolami z ładunkiem i bez, to nanocząstki znajdujące się na powierzchni wody zaczną zachowywać się jak spławiki. Nie utoną, ale samoczynnie uformują monowarstwę", opisuje dr Volodymyr Sashuk z IChF PAN.

1. Dr Volodymyr Sashuk z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie osadza uporządkowaną warstwę nanocząstek złota na płytce szklanej. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

Otrzymaną dzięki samoorganizacji warstwę nanocząstek na powierzchni wody można ścisnąć mechanicznie za pomocą przyrządu nazywanego wagą Langmuira. Ściskanie powoduje, że nanocząstki, nawet gdy są pokryte tiolami o tym samym ładunku, znacznie się do siebie zbliżają. "Teraz aby przenieść tak otrzymaną monowarstwę na podłoże szklane wystarczy skorzystać z metody Langmuira-Blodgett. W tym celu na sterowanym komputerowo wysięgniku umieszczamy płytkę szklaną i powoli zanurzamy ją w wodzie lub wynurzamy z niej. Nanocząstki z warstwy powierzchniowej przyłączają się wtedy do płytki", mówi dr Sashuk.

Ponieważ kierunek przesuwania płytki przez monowarstwę decyduje, którą stroną nanocząstki przyłączą się do szkła, metoda pozwala na wytwarzanie powierzchni hydrofobowych lub hydrofilowych. Co więcej, możliwe jest pokrycie powierzchni szklanych monowarstwami nanocząstek albo o ładunku ujemnym, albo dodatnim - zależnie od potrzeb.

Pierwsza z opisanych metod charakteryzuje się dużą prostotą, jest również bardzo tania. Można ją stosować wtedy, gdy ładunek i uporządkowanie nanocząstek w warstwie nie są istotne. Przepis pozwala na formowanie warstw nie tylko na szkle, ale również na podłożach półprzewodnikowych. W ten sposób można otrzymać np. powierzchnie krzemowe pokryte nanocząstkami złota, które w dalszej obróbce inicjowałyby wzrost nanodrutów. Produkcja warstw nanocząstek poprzez samoorganizację jest bardziej skomplikowana. Otrzymane warstwy charakteryzują się jednak wysokim uporządkowaniem, a ich ładunek elektryczny można precyzyjnie kontrolować.