Nanoparticles with surface patchiness - preparation and self-assembly

Help

Back »

Details of project

Identifier

128327

Type

Principal investigator

Deák, András

Title in Hungarian

Heterogén felületi tulajdonságú nanorészecskék előállítása és önszerveződése

Title in English

Nanoparticles with surface patchiness - preparation and self-assembly

Keywords in Hungarian

nanorészecskék, kolloid kölcsönhatások, önszerveződés, mikro-spektroszkópia

Keywords in English

nanoparticles, colloidal interactions, self-assembly, micro-spectroscopy

Discipline

Colloid Chemistry (Council of Physical Sciences)

100 %

Panel

Chemistry 1

Department or equivalent

Institute of Technical Physics and Materials Science (Centre for Energy Research)

Participants

Fried, Miklós
Hajnal, Zoltán
Osváth, Zoltán
Pothorszky, Szilárd
Szekrényes, Dániel Péter
Zámbó, Dániel
Zolnai, Zsolt

Starting date

2018-09-01

Closing date

2023-08-31

Funding (in million HUF)

31.332

FTE (full time equivalent)

10.50

state

closed project

Summary in Hungarian

A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Kémiai vagy szerkezeti szempontból inhomogén felületi tulajdonságokkal rendelkező ún. "foltos" (patchy) nanorészecskék új tulajdonságokat hordozhatnak. Jelen kutatás fő célja egyrészecskés vizsgálatok segítségével annak felderítése, hogy az ilyen részecskék felületi tulajdonságában megmutatkozó inhomogenitás milyen következményekkel jár a részecskék közötti kölcsönhatások, különös tekintettel az önszerveződés szempontjából. Ennek érdekében in-situ egyrészecskés vizsgálatokkal (azaz egyedi részecskén történő mérésekkel) vizsgáljuk az önszerveződést. A munka három fő téma köré csoportosíthatók: (i) nagyfokú felületi inhomogenitást mutató, felületi inhomogenitással rendelkező részecskék létrehozása (ii) a részecskék felületi tulajdonságainak, kölcsönhatásuknak valamint optikai tulajdonságának számítógépes szimulációja és (iii) egyedi nanorészecskék önszerveződésének in-situ vizsgálata. A munka eredményei inhomogén felületi tulajdonságokkal rendelkező nanorészecskék tervezéséhez jelenthetnek támpontot, valamint részletes betekintést nyújthatnak a felületi inhomogenitás önszerveződésre gyakorolt hatásába.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás fő kérdése, hogy nanorészecskék felületi inhomogenitása milyen mértékben befolyásolja a közöttük fellépő kolloid kölcsönhatásokat. A felületi inhomogenitás a részecskéken kialakított kémiai vagy szerkezeti különbségekkel lesz elérhető; cél a preparációs eljárások tovább fejlesztésével ezen különbségek minél élesebb átmenettel történő létrehozása. A felületi inhomogenitások hatását a kolloid kölcsönhatások erőőségére, illetve irányfüggésére egyedi részecskéken végzett in-situ önszerveződési kísérletekkel fogjuk vizsgálni. Tömbfázisban végrehajtott kísérletekhez képest - mely esetekben a vonzó részecske-részecske kölcsönhatások következtében általában részecske aggregátumok vagy hálózatok jönnek létre - a kísérleti megközelítés lehetővé teszi a felületi inhomogenitás önszerveződésre gyakorolt hatásának közvetlen vizsgálatát.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A legtöbb oldószer alapú kolloid rendszer (a kvantum pöttyöktől kezdve a makromolekulákon át a biológiai rendszerekig) tulajdonságait alapvetően meghatározzák a kolloid kölcsönhatások. Valós rendszerekben ezek a kölcsönhatások csak a legritkább esetben tekinthetőek térben homogénnek, a potenciális energia térkép pedig alapvetően kihat egy részecske önszerveződési folyamat során a kialakuló szerkezetre.
A projekt eredményeire építve pontosabban tervezett részecskék hozhatók létre, azaz ökölszabályokon alapuló preparációs folyamatok helyett olyan finomhangolt rendszerek alkothatók, melyek jobban megfelelnek hierarchikus részecskés szerkezetek kialakításához. A projekt eredményeként újtípusú preparálási módszert fejlesztünk ki, mely segítségével nagymértékű kémiai és/vagy szerkezeti inhomogenitás hozható létre nanorészecskéken. Az inhomogén felületű részecskék közötti kolloid kölcsönhatások modellezése révén nem csak önszerveződésükkel kapcsolatos értelmezések és előrejelzések tehetők, de segítenek a nanorészecske-preparációs módszer fejlesztésében is.
Az egyedi részecskéken végzett mérések eredményei általánosságban hozzájárulnak a mesterségesen létrehozott nanostrukturált rendszerek irányított önszerveződésével kapcsolatos kutatásokhoz, valamint a nanorészecskékkel vagy makromolekulákkal kapcsolatos területek, technológiák számára is relevánsak. A mérések során az inhomogén felületi tulajdonsággal rendelkező egyedi részecskék kölcsönhatása más részecskékkel közvetlenül vizsgálható, valamint az inhomogenitás mértéke valamint a létrejövő aggregátumszerkezet közötti összefüggés is tanulmányozható.
A tervezett munka újdonsága, hogy a fenti jelenségek szisztematikus vizsgálatát egyedi részecskék szintjén valósítja meg, ami által mélyebb betekintés nyerhető a folyamatokba, illetve pontosabb kép alkotható az őket befolyásoló tényezők szerepéről. Jelenleg nem elérhető a vonatkozó témakörben konzisztens, szisztematikus vizsgálati eredmény.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Nanoméretű objektumok irányított és programozott önszerveződése egy természetszerűen előforduló jelenség valamennyi biológiai rendszerben. A nanotechnológiai alkalmazásokban ugyanakkor biomolekulák helyett sokszor mesterségesen létrehozott, nanoméretű építőelemekre van szükség. Ahhoz hogy ezek a építőelemek komplex biológiai irányítórendszerek hiányában is a kívánt szerkezetbe tömörüljenek, a közöttük fennálló kölcsönhatások megfelelő ismerete és kézben tartása szükséges. A munka fő célja annak vizsgálata, hogy miképpen és milyen mértékben lehetséges heterogén felületi tulajdonságokkal rendelkező nanorészecskék orientált önszerveződését megvalósítani. Egyedi nanorészecskéken végzett kísérletekkel a a felületi tulajdonságok és az önszerveződés következtében létrejövő szerkezet közötti kapcsolatot vizsgáljuk. Az eredmények tükrében olyan mesterséges, nanoméretű objektumok célzott előállítása válhat lehetővé, melyek energiával, orvostudományokkal és anyagtudománnyal kapcsolatos kutatásokban, illetve alkalmazásokban hasznosulhatnak.

Summary

Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Properly engineered 'patchy' nanoparticles featuring chemical or structural inhomogeneity might feature new emerging properties due to the special interaction of the patch with the supporting particle itself or the interaction of the particle as a whole with its environment. The main goal of the current proposal is to shed light on the role of surface inhomogeneity in the assembly of nanoparticles by studying in-situ the assembly of patchy nanoparticles at the single particle level (measurements performed on individual particles, not on ensemble). The proposed project is built on three interconnected pillars: (i) patchy nanoparticle design, (ii) computer simulation of the patchy particle interaction and optical simulations (iii) and investigation of the particle assembly and network formation at the single particle level. The results obtained will allow the more rational design of patchy colloids and their structure as well as a deeper understanding the relevance of patchiness in self-assembly processes.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The main question addressed in the proposed project is to what extent surface inhomogeneity affects colloidal interactions and assembly for nanoscale objects. Patchiness will be achieved by introducing local surface chemistry or material difference at the nanoparticle surface; it will be investigated how the localization of the patches can be increased by improving synthetic protocols. Implications of the patchiness on the directionality and strength of the interactions will be investigated by following in-situ the assembly process at the single particle level. It is anticipated, that compared to ensemble measurements, where attractive species tend to form complex aggregates or particle networks, the proposed approach will allow to directly investigate the influence of patchiness on the particle assembly.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Colloidal interactions dominate the behavior of most solvent based colloidal systems from artificially prepared quantum dots to macromolecules and biological systems. In real system the interactions are rarely homogeneous in space and potential energy landscape will have a profound effect on the orientation of objects upon assembly.
The results obtained during the project will help to rationally design nanoscale building blocks. That is, instead of 'rule of thumb' preparation schemes, fine tuned system could be created, which allow the preparation of hierarchical assemblies from nanoscale building blocks. The implementation of the project will lead to a new patchy nanoparticle preparation method resulting in particles that feature high degree of structural and/or chemical patchiness. Adequate theoretical description of the colloidal interaction involving patchy particles will enable to predict the assembly of the particles and allow their improved synthetic design.
The anticipated results based on single particle experiments are relevant for modern technologies involving solution based nanoparticles or macromolecules and will contribute to the field of directed self-assembly using artificially design nanoscopic systems in general. Direct experimental observation of the interaction of patchy particles with other nanoscale object will be studied and the correlation between the degree/extent of patchiness and the achievable structure investigated. The proposed work will go beyond the stat-of-the-art by performing these investigations at the single particle level. In this way a deeper insight into the processes and a more detailed picture about the role influencing factors can be obtained. Up to date, no such systematic study has been carried out.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Directed and pre-programmed self-organization of nanoscale objects is a naturally occurring phenomena in every biological system. For nanotechnology enabled applications, however, artificially designed nanoscale building blocks (that is nanoparticles) are often required instead of biomolecules. To achieve assembly of these nanoparticles into a desired structure without the complexity of a biological system, proper knowledge and control of their interaction is required. The main aim of the project is to investigate how and to which extent is it possible to promote the directed or oriented assembly of nanoparticles by creating object nanoscale objects that feature highly heterogeneous surface at the particle level. By investigating the assembly of individual nanoparticles, the connection between 'patchiness' of the surface properties and the created structure will be studied. The result will contribute to a more rational design of artificial nanoscale objects with general relevance to nanoparticle enabled applications in energy, biomedicine and material science related fields.

Final report

Results in Hungarian

A kutatómunka központi eleme a nanorészecskés rendszerek szerkezeti és az optikai tulajdonságok között összefüggések értelemzése volt, kiegészítve a kolloidkémiai szerepévek figyelembe vételével. Különböző arany nanorészecskék méret és alakkontrollált nedveskémiai szintézisét és szabályozott felületmódosítását valósítottuk meg. A nanorészecskék lokalizált plazmon rezonancia tulajdonságaiban bekövetkező változások alapján tanulmányoztuk a részecskéken történő molekula adszorpciót, a részecskék kolloidkémiai kölcsönhatások által vezérelt önszerveződését, valamint a nanorészecskék és nanostruktúrák összetett rendszereinek optikai és szerkezetképzési tulajdonságait. Vizsgáltuk a nanorészecskék lokális dielektromos környezetének hatását a plazmoncsillapításra egyedi nanorészecskék szintjén, mely segítségével részletes információt nyertünk a felületmódosítási folyamatról, valamint a kémiai határfelületi csillapítás jelenségéről. Kidolgoztuk arany részecskék régiószelektív felületmódosítását, ami során több, eltérő tulajdonságú (és az önszerveződés szempontjából különböző funkcióval rendelkező) molekula együttes alkalmazásával lehet az önszerveződő struktúra szerkezetét meghatározó nanorészecskéket létrehozni.

Results in English

The central part of the research was the interpretation of the relationship between the optical and structural properties of nanoparticle-based systems, taking colloid chemical interactions also into account. The size and chape controlled wet-chemical synthesis of gold nanoparticles as well as their controlled surface modification has been carried out. Molecule adsorption, colloid chemical interaction governed self-assembly and the optical and structural properties of nanoparticle/nanostructure systems have been studied based on changes in the localised plasmon resonance properties. The impact of local environmental inhomogeneities on the plasmon damping has been investigated at the level of individual nanoparticles, which provided detailed information about the surface modification process and the chemical interface damping. Site-selective surface modification of the nanoparticles has been elaborated, during which molecules with different properties (with different function in terms of self-assembly control) are simultaneously applied to create nanoparticles that can be used as building blocks during directed self-assembly.

Full text

https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=128327

Decision

Yes

List of publications

Oppositely Charged Nanoparticles Precipitate Not Only at the Point of Overall Electroneutrality: Itatani, Masaki; Holló, Gábor; Zambo, Daniel; Nakanishi, Hideyuki; Deák, András; Lagzi, Istvan, The Journal of Physical Chemistry Letters, Accepted on 26.09.2023, 2023

Zámbó, D.; Kovács, D.; Südi, G.; Deák, A.: Surface Modification of Gold Nanoprisms and Their Self‐Assembly with Nanospheres, Part & Part Syst Charact 2023, 2200197., 2023

Kovács, D.; Deák, A.; Radnóczi, G. Z.; Horváth, Z. E.; Sulyok, A.; Schiller, R.; Czömpöly, O.; Zámbó, D.: Position of gold dictates the photophysical and photocatalytic properties of Cu2O in Cu2O/Au multicomponent nanoparticles, . Mater. Chem. C 2023, 11 (26), 8796–8807., 2023

Holló, G.; Zámbó, D.; Deák, A.; Rossi, F.; Cucciniello, R.; Lo Nostro, P.; Nabika, H.; Baytekin, B.; Lagzi, I.; Itatani, M.: Effect of the Polarity of Solvents on Periodic Precipitation: Formation of Hierarchical Revert Liesegang Patterns, J. Phys. Chem. B 2022, 126 (41), 8322–8330., 2022

Szekrényes, D. P.; Hamon, C.; Constantin, D.; Deák, A.: Formation of Kinetically Trapped Small Clusters of PEGylated Gold Nanoparticles Revealed by the Combination of Small-Angle X-Ray Scattering and Visible Light Spectroscopy, Soft Matter 2022, 18 (43), 8295–8301., 2022

Albert, E.; Tegze, B.; Hajnal, Z.; Zámbó, D.; Szekrényes, D. P.; Deák, A.; Hórvölgyi, Z.; Nagy, N.: Robust Contact Angle Determination for Needle-in-Drop Type Measurements, ACS Omega 2019, 4 (19), 18465–18471., 2019

Piszter, G.; Kertész, K.; Molnár, G.; Pálinkás, A.; Deák, A.; Osváth, Z.: Vapour Sensing Properties of Graphene-Covered Gold Nanoparticles, Nanoscale Adv. 2019, 1 (6), 2408–2415., 2019

András Deák: Felületmódosított arany nanorészecskék önszerveződése és optikai tulajdonságai, Hungarian Academy of Sciences, DSc Thesis, 2022

Szekrényes, D. P.; Pothorszky, S.; Zámbó, D.; Deák, A.: Detecting Spatial Rearrangement of Individual Gold Nanoparticle Heterodimers, Phys. Chem. Chem. Phys. 2019, 21 (19), 10146–10151., 2019

Zolnai, Z.; Zámbó, D.; Osváth, Z.; Nagy, N.; Fried, M.; Németh, A.; Pothorszky, S.; Szekrényes, D. P.; Deák, A.: Gold Nanorod Plasmon Resonance Damping Effects on a Nanopatterned Substrate, The Journal of Physical Chemistry C 2018, 122 (43), 24941–24948., 2018

Szekrényes, D. P.; Kovács, D.; Zolnai, Z.; Deák, A.: Chemical Interface Damping as an Indicator for Hexadecyltrimethylammonium Bromide Replacement by Short-Chain Thiols on Gold Nanorods, J. Phys. Chem. C 2020, 124 (36), 19736–19742., 2020

SZEKRÉNYES Dániel P., POTHORSZKY Szilárd, ZÁMBÓ Dániel, HAJNAL Zoltán, OSVÁTH Zoltán, DEÁK András: Surface chemical patch formation and self-assembly studied at the single-nanoparticle level, 25th International Conference on Chemistry, 2019

D.P. Szekrényes, S. Pothorszky, D. Zámbó, Z. Osváth, Z. Zolnai and A. Deák: Nanoscale inhomogeneities characterized by the optical scattering spectra of individual gold nanoparticles, 33rd Conference of the European Colloid and Interface Society, 2019

András DEÁK: Self-assembly and microspectroscopic characterization of nanoparticles (in Hungarian), Invited Seminar - ELTE Department of Materials Physics 10.03.2019, 2020

Kovács Dávid: Investigation of molecule adsorption on idividual gold nanorods by microspectroscopy (in Hungarian), ELTE TTK Scientific Students' Associations Conference, 2019

Osváth, Z.; Zámbó, D.; Sulyok, A.; Pálinkás, A.; Deák, A.: Tuning the Nanoscale Rippling of Graphene with PEGylated Gold Nanoparticles and Ion Irradiation., Carbon Trends 2021, 5, 100080., 2021

Szekrenyes, D. P.; Zámbó, D.; Zolnai, Z.; Nagy, N.; Deák, A.: Detecting Short-Chain Thiol Binding on CTAB-Stabilised Gold Nanorods at Single Particle Level., Symposium on Materials Science, 2020

Szekrényes, D. P.; Pothorszky, S.; Zámbó, D.; Nagy, N.; Hajnal, Z.; Osváth, Z.; Zolnai, Z.; Deák, A.: Single-Nanoparticle Spectroscopy in Colloid Chemistry, Symposium on Materials Science, 2020

András Deák: Optical Spectroscopy providing insights into the colloidal domain, 28.06.2021 Invited seminar, Chair for Photonics and Optoelectronics, LMU München, 2021

András Deák: Self-assembly and optical properties of surface modified gold nanoparticles (in Hungarian - Felületmódosított arany nanorészecskék önszerveződése és optikai tulajdonságai, 10.03.2021 Colloid Chemistry Workgroup of the Hungarian Academy of Sciences, 2021

Dániel Péter Szekrényes, Dániel Zámbó, András Deák: Ligand exchange and particle self-assembly on individual nanoparticles followed by optical scattering spectroscopy, EMRS Fall Meeting, S.6.3, 2021

Daniel Péter Szekrényes, Cyrille Hamon, Doru Constantin, András Deák: Self-assembly and structure of small gold nanoparticle clusters, III. Francia-Magyar Tudományos Kutatói Fórum, Budapesti Francia Intézet, 2021

Dániel Péter Szekrényes, Dániel Zámbó, Zsolt Zolnai, Rita Némedi, Norbert Nagy and András Deák: Investigating the electric double layer directed self assembly of oppositely charged gold nanospheres, Symposium on Materials Science, Mátraháza, October 4-6, 2021, 2022

SZEKRÉNYES Dániel Péter, ZÁMBÓ Dániel, ZOLNAI Zsolt, OSVÁTH Zoltán, HAJNAL Zoltán, DEÁK András: Inhomogén felületi borítottságú arany nanorészecskék előállítása és önszerveződése,, XXVII. Nemzetközi Vegyészkonferencia, 2021.10.29., 2021

Szekrényes, D. P.: Influence of Environmental Inhomogeneities on the Scattering Properties of Gold Nanorods., BME Oláh György Doktori Iskola, 2022

Kertész, K.; Piszter, G.; Horváth, Z. E.; Zámbó, D.; Deák, A.; Biró, L. P.: Effect of Plasmonic Au and Ag/Au Nanoparticles and Sodium Citrate on the Optical Properties of Chitin-Based Photonic Nanoarchitectures in Butterfly Wing Scales., Photonics 2022, 9 (8), 553., 2022

Südi Gergely: Arany nanorészecskék felületmódosítása és önszerveződése, BME VBK, BSc Thesis, 2021

Dávid Kovács: Multicomponent Copper(I) Oxide/Gold Nanoparticles and Their Assembly, ELTE Vegyész MSc, 2022

Szekrényes, D. P.: Influence of Environmental Inhomogeneities on the Scattering Properties of Gold Nanorods., BME Oláh György Doktori Iskola, PhD Thesis, 2022

Rita Némedi: Töltésstabilizált gömb alakú arany nanorészecskék irányított önszerveződésének optimalizálása, BME VBK, MSc Thesis, 2021

Dávid Kovács: Arany nanorudak felületmódosításának vizsgálata mikrospektroszkópiával, ELTE TTK, BSc Thesis, 2020

Rita Némedi: Elektromos kettősréteggel stabilizált gömb alakú nanorészecskék önszerveződési lehetőségeinek vizsgálata, BME VBK, BSc Thesis, 2019

Gergely Südi: Arany nanoprizmák szintézise és felületmódosítása, BME VBK, BSc Thesis, 2021

Dániel Zámbó, Dávid Kovács, Dániel P. Szekrényes, Szilárd Pothorszky and András Deák: Patchy gold nanoparticles, 51st Conference of the German Colloid Society, 2022

Rita Némedi: Elektromos kettősréteggel stabilizált gömb alakú nanorészecskék önszerveződése, BME VBK, TDK, 2019

Dávid Kovács: Molekulaadszorpció vizsgálata egyedi arany nanorudakon optikai mikrospektroszkópiai módszerrel, ELTE TTK, TDK, 2019

Back »