Theorie

Top-down, bottom-up

Er zijn in principe twee wegen om nanodeeltjes te maken, namelijk “top-down” of “bottom-up”. Bij de opwaartse benadering, bottum-up, maak je met kleinere bouwstenen een groter geheel. Een aanpak die typisch is voor de scheikunde. Deze versie van de nanotechnologie wordt ook wel een supramoleculaire chemie genoemd. De bouwblokjes waarmee nanostructuren gebouwd worden, zijn immers op zichzelf al grote moleculen. Bij de neerwaartse beweging, top-down, probeer je vanuit een groot voorwerp een kleiner voorwerp te maken. Je kunt het vergelijken met een beeldhouwer die een beeld kapt uit een groot blok marmer. In de praktijk wordt deze aanpak gebruikt in de chipindustrie. Waar je laagjes afzet op een drager en er dan structuren in uitsnijdt met een elektronenstraal.

 

Colloïdchemie

Als nanodeeltjes aanwezig zijn in een oplossing wordt er ook vaak gesproken van een colloide of een colloidale oplossing. Maar wat is een colloide precies? In onderstaande tabel is de straal van de deeltjes aangegeven in nanometer. De kleinste deeltjes staan helemaal links, bijvoorbeeld losse atomen en kleine moleculen. Rechts staan fijne vaste deeltjes, zoals fijn poeder. Colloiden zitten qua grootte tussen de kleine moleculen en de vaste deeltjes in. Die tussenpositie is bepalend voor de eigenschappen en de toepassing van colloiden. Melk is een voorbeeld van een colloide. Het is geen heldere oplossing maar het is ook geen troebele suspensie waarbij een neerslag ontstaat.

 

 

Colloiden omschreef men aanvankelijk als stoffen, die ogenschijnlijk oplossen maar in werkelijkheid als kleine deeltjes aanwezig zijn (gedispergeerd zijn) in de vloeistof. Het eiwit van een kippenei is een bekend voorbeeld van zo’n colloidale dispersie. Er is echter geen scherp onderscheid tussen een oplossingen colloïden suspensies molecuul chemie colloïdchemie vaste stof chemie colloidaal systeem en een oplossing. Daarom zijn later colloiden gedefinieerd als deeltjes die tenminste in een dimensie een grootte hebben tussen de 10-9 tot 10-6 meter.

 

Opdracht                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  

6.1

Nanokristallen zijn ook colloidale deeltjes, maar niet alle colloidale deeltjes zijn nanokristallen.

Leg uit wanneer een colloide niet tot de nanodeeltjes behoren?

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  

 

Verstrooiing van licht

Nanodeeltjes en colloiden hebben vaak een andere kleur dan dezelfde deeltjes bij grotere afmetingen. Hoe komt dit? De klassieke natuurkundetheorie beschouwt elektromagnetische straling als een golf met een fluctuerend elektrisch veld en daar loodrecht op nog een fluctuerend magnetisch veld. In deze theorie is licht dus ook een golf. Welke kleur licht heeft, wordt dan bepaald door de golflengte. Kijk je naar de interactie van licht met deeltjes in de grootteorde van de lichtstraal, dan volstaat het om licht als golf te benaderen. Het licht dat wij kunnen zien, is slechts een onderdeel van het elektromagnetische spectrum. Ook rontgenstraling en geluidsgolven horen tot dit spectrum. Voor processen op atomair niveau voldoet deze benadering niet. Dan moeten we licht zien als een straal van kleine deeltjes, fotonen genaamd.

De verstrooiing van licht is in de negentiende eeuw door verschillende wetenschappers bestudeerd. De Britse scheikundige John Tyndall voerde gedetailleerde experimenten uit. Hij zag dat water waarin een klein beetje fijn verdeelde melk zit, er blauw uitziet, als je het met wit licht beschijnt en er van de zijkant naar kijkt. De lichtstraal is ook zichtbaar in de vloeistof. Als je in de richting van de straal zelf kijkt, zie je een rode gloed.

Tyndall veronderstelde terecht dat blauw licht meer wordt verstrooid dan rood licht. Het Tyndalleffect verklaart ook waarom de lucht overdag blauw en tegen zonsopgang of zonsondergang rood is. De kleinste moleculen zijn zo klein dat ze licht nauwelijks verstrooien. Een voorbeeld hiervan zijn gasmoleculen. Colloiden zitten qua grootte tussen moleculen en vaste deeltjes in. Deze deeltjes zijn zo groot dat ze licht wel verstrooien, d.w.z. dat een lichtbundel wordt ‘afgebogen’ door de deeltjes. Toch kun je de deeltjes met het blote oog, of zelfs onder een lichtmicroscoop, niet zien. Daarvoor zijn ze weer te klein.

 

Synthese van goudnanokristallen

Goud is een edele metalen [symbool Au, atoomnummer 79] dat al sinds de oudheid bekend is vanwege het gebrek aan reactiviteit. Goud werd vooral gebruikt in sierraden en als waarde middel. Gezien het gebrek aan reactiviteit lijkt goud voor chemici geen interessante stof te zijn. Maar met behulp van koningswater (een 3:1-mengsel van geconcentreerd salpeterzuur en zoutzuur) is het mogelijk om goud in oplossing te brengen.

Het sterke oxidatiemiddel HNO3 oxideert in oplossing het goud tot Au3+. Na een complexeringsreactie met Cl- ontstaat AuCl4- . Deze stappen kunnen niet afzonderlijk of sequentieel gedaan worden. Door een versterkend effect van het specifieke mengsel komt deze reactie tot stand. Het verkregen AuCl4- is een sterke oxidator en zal gemakkelijk weer goudatomen vormen als het in contact komt met een reductor zoals citraat. Er ontstaan losse goudatomen, die samenklonteren. Zo ontstaan nanokristallen, die door aangroeien langzaam groter worden. Op deze kleine schaal zijn stoffen reactiever dan in bulk.

 

Opdracht                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  

6.2

Op deze manier gaan we zelf nanodeeltjes maken.

Is dit een voorbeeld van een top-down of bottom-up synthese?

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 

 

Goudsol

Colloidale edelmetalen, zoals een goudsol, behoren tot de oudste colloidale toepassingen in de techniek, bijvoorbeeld bij het maken van gekleurd glas. Op het eerste gezicht lijkt een goudsol een heldere oplossing. Maar dat is het niet. Dat zie je als je er in een donkere kamer een lamp op zet. Kijk je er van de zijkant naar, dan zie je dat er licht is dat niet meer in de richting van de lichtbundel gaat en dus verstrooid is door de gouddeeltjes. De goudsol is het oudste bekende colloidale systeem. Het werd rond 1860 onderzocht door de Britse natuurkundige Michael Faraday. Bij de synthese van het goudsol toonde Faraday aan dat

Faraday trok een aantal conclusies uit zijn experimenten. ‘Het goud heeft een dispersie gevormd en is heel fijn verdeeld aanwezig in de vloeistof.’ ‘De verkleuring van rood naar blauw door het toevoegen van extra zout komt door de toename in deeltjesgrootte.’

Colloidale edelmetalen werden vroeger gebruikt bij het maken van gekleurd glas. In gesmolten glas werd dan 0,01% goud opgelost. Na afkoelen bleef het glas helder doordat de goudatomen egaal waren verdeeld in het glas. Door enkele uren te verwarmen tot 650°C aggregeerden deze goudatomen tot deeltjes met een diameter van 40 tot 140 nm. En zo ontstond gekleurd glas. Door variaties in dit procede kon de grootte van de gouddeeltjes varieren en tinten tussen rood en blauw produceren. De kleur is het gevolg van zowel absorptie van het witte licht als de verstrooiing van licht door de aanwezigheid van de colloidale gouddeeltjes. Door andere edele metalen te gebruiken, kreeg je andere kleuren. De kleur van de goudsolen wordt verklaard door het proces van verstrooiing van licht en absorptie van licht. Metaaldeeltjes absorberen het licht sterk.