水/油界面における個々のヤヌスナノ粒子のブラウン拡散

Brownian Diffusion of Individual Janus Nanoparticles at Water/Oil Interfaces.

• Dapeng Wang
• You-Liang Zhu
• Yuehua Zhao
• Christopher Y Li
• Ashis Mukhopadhyay
• Zhao-Yan Sun
• Kaloian Koynov
• Hans-Jürgen Butt

抄録

ヤヌスナノ粒子は、同程度の大きさの均質ナノ粒子よりも高い界面活性を示し、流体界面に強く吸着する可能性があります。しかし、ヤヌスナノ粒子の界面拡散についてはほとんど知られておらず、均質ナノ粒子と比較してどのように拡散しているのかは不明である。本研究では、蛍光相関分光法を用いて、水/油界面に吸着したリガンドグラフト化ヤヌスナノ粒子の横方向の拡散を調べた。その結果、均質なナノ粒子に比べて拡散が著しく遅いことがわかった。界面速度低下のメカニズムを調べるために、散逸的粒子動力学シミュレーションを実施した。その結果、ナノ粒子表面にグラフトされたリガンドの柔軟性を考慮した場合にのみ、実験結果とシミュレーション結果の間に良好な一致が得られた。高分子リガンドは、ヤヌスナノ粒子の有効半径がバルク溶液中での拡散を測定して得られた公称半径よりも大きくなるように変形させ、界面で配向させた。これらの知見は、油回収や二次元自己組織化のような界面でのナノ粒子吸着を伴う応用において、ヤヌスナノ粒子にグラフトした配位子の重要性をさらに強調するものである。

Janus nanoparticles could exhibit a higher interfacial activity and adsorb stronger to fluid interfaces than homogeneous nanoparticles of similar sizes. However, little is known about the interfacial diffusion of Janus nanoparticles and how it compares to that of homogeneous ones. Here, we employed fluorescence correlation spectroscopy to study the lateral diffusion of ligand-grafted Janus nanoparticles adsorbed at water/oil interfaces. We found that the diffusion was significantly slower than that of homogeneous nanoparticles. We carried out dissipative particle dynamic simulations to study the mechanism of interfacial slowdown. Good agreement between experimental and simulation results has been only obtained provided that the flexibility of ligands grafted on the nanoparticle surface was taken into account. The polymeric ligands were deformed and oriented at an interface so that the effective radius of Janus nanoparticles is larger than the nominal one obtained by measuring the diffusion in bulk solution. These findings highlight further the critical importance of the ligands grafted on Janus nanoparticles for applications involving nanoparticle adsorption at an interface, such as oil recovery or two-dimensional self-assembly.