Tailored ligands for hybrid materials from colloidal inks

Abstract

Anorganische Nanoobjekte mit organischen Ligandenhüllen bilden eine interessante Klasse nanoskalig strukturierter Materialien, wenn sie zu größeren Einheiten zusammengesetzt werden - die Hybridmaterialien. Das Fehlen einfacher Produktionsprozesse verhindert bislang deren industrielle Nutzung. Ein vielversprechender Ansatz für einen einfachen Produktionsprozess von Hybridmaterialien ist deren Herstellung aus kolloidalen Tinten. Hierzu muss allerdings die Kontrolle über die gezielte Nanoobjektanordnung während des Verarbeitungsprozesses verbessert werden. Die Ligandenhüllen spielen dabei eine entscheidende Rolle, da sie die Anordnungseigenschaften der Nanoobjekte stark beeinflussen. Um die kolloidale und supramolekulare Chemie der Ligandenhülle besser zu verstehen wurden ligandenstabilisierte, stäbchenförmige Nanoobjekte synthetisiert, modifiziert und deren Anordnungsverhalten in Verbindung mit dem Dispergiermittel aufgeklärt. Auf der Basis dieser Erkenntnisse wurden erfolgreich zwei unterschiedliche Hybridmaterialien aus Tinten hergestellt. Zum einen wurden Gold-Nanostäbe mit einer leitfähigen Polymer-Ligandhülle beschichtet, die gleichzeitig gute kolloidale Stabilität der Nanostäbe in Tinten und elektrische Leitfähigkeit der Hybridstrukturen direkt nach dem Trocknen der Tinte ermöglicht. Zum anderen wurde das Zusammenspiel der Ligandenhüllen ultradünner Goldnanodrähte mit dem Dispergiermedium ausgenutzt, um die Drähte zu hierarchischen Hybridfasern zu spinnen.

Inorganic nano-objects with organic shells form an interesting class of nanostructured materials when they are assembled into larger units - hybrid materials. The industrial use of materials produced via this bottom-up route is impeded by the lack of simple production processes. A promising process is their production from colloidal inks; however, the targeted control of the nano-objects’ superstructure formation must be improved. Here interfaces and the organic shells are crucial, as they strongly affect the assembly characteristics of the hybrid nano-objects. Here, the colloidal and supramolecular chemistry of the ligand shell is studied. Ligandstabilized wire-like and rod-like nano-objects were synthesized, modified, and their assembly behavior in conjunction with the dispersant medium was elucidated. After that, two different hybrid materials were produced using an ink-based approach. First, gold nanorods were coated with a conjugated polymer ligand shell that enabled both good colloidal stability and electrical conductivity of the hybrid structures directly after drying of the ink without sintering. Second, ultrathin gold nanowires were spun into hierarchical fibers, exploiting the interaction of their ligand shells with the surrounding dispersant medium.