Untersuchung der Struktur von CTAB-Mizellen und deren Einfluss auf die Bildung und Stabilisierung von Goldnanopartikeln mittels Röntgen- und Neutronenkleinwinkelstreuung
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Gold nanorods (AuNRs) exhibit outstanding optical properties and can be used in a wide range of applications ranging from electronics and photonics over (bio-)chemical sensing, cancer diagnostics and therapeutics. Small gold nanoparticles are needed as seed particles for the subsequent growth to gold nanorods. Both particle species are stabilized by micelles of the cationic surfactant cetyltrimethylammonium bromide (C19H42NBr, CTAB). However, the stabilization of small gold particles in the lower nanometer regime (2 nm in diameter) is insufficient, which has a negative influence on the subsequent AuNR synthesis. In this work CTAB micelles were structurally characterized using small-angle X-ray and neutron scattering (SAXS, SANS). The morphology and chemical composition of the micelles was modified using n-alcohols and studied with the combination of SAXS and SANS. A drastic increase in the stability of the gold nanoparticles could be obtained using highly elongated micelles. Classical coagulation theory has been applied to validate the proposed stabilization mechanism of small gold nanoparticles by CTAB micelles. The use of highly stable gold nanoparticles lead to a significant increase of the morphological selectivity and reproducibility of the synthesis of AuNRs. A fundamental understanding about the interactions between gold nanoparticles and micelles could be gained.
Abstract
Goldnanostäbchen (AuNRs) besitzen ein breites potentielles Anwendungsspektrum das von elektronischen und photonischen Anwendungen über den Einsatz in der (bio-)chemischen Sensorik, Krebsdiagnose und -therapie reicht. Zur Herstellung der AuNRs werden kleine Goldnanopartikel benötigt auf denen anschließend die Partikel anisotrop aufwachsen. Beide Partikelspezies werden mithilfe von Mizellen des kationischen Tensids Cetyltrimethylammonium Bromid (C19H42NBr, CTAB) stabilisiert. Jedoch ist die Stabilisierung der kleinen Goldnanopartikel (2nm im Durchmesser) unzureichend. Das wiederum wirkt sich negativ auf die anschließende Synthese der AuNRs aus. In dieser Arbeit wurden CTAB-Mizellen mithilfe von Röntgen- und Neutronenkleinwinkelstreuung strukturell charakterisiert. Morphology und chemische Zusammensetzung der Mizellen wurden systematisch durch die Zugabe von n-Alkoholen beeinflusst und durch die Kombination von SAXS und SANS quantifiziert. Eine drastische Stabilitätssteigerung der Goldnanopartikel konnte durch die Verwendung stark elongierter Mizellen erzielt werden. Mithilfe der klassischen Koagulationstheory konnte der vorgeschlagene Stabilisierungsmechanismus für Goldnanopartikel durch CTAB-Mizellen gestützt werden. Die Verwendung hoch-stabiler Keimpartikel für die anschließende Synthese von AuNRs führte zur erheblichen Verbesserung der morphologischen Selektivität und Reproduzierbarkeit der Reaktion. Ein fundamentales Verständnis über die Wechselwirkungen zwischen Goldnanopartikeln und Mizellen konnte erhalten werden.
