Agglomeration of gold nanoparticles in microgravity

Abstract

The arrangement and distribution of nanoparticles inside a matrix crucially affect the material properties of nanocomposites. Agglomeration of the particles and the gravitational sedimentation of the agglomerates can alter the structure of the particles inside the matrix. To quantify the influence of gravity, agglomeration experiments were performed under normal and microgravity conditions. An experimental set up was successfully developed to study the temperature induced agglomeration of hexadecanethiol-capped gold nanoparticles in tetradecane with dynamic light scattering. The sample was heated inside an aluminum block and injected into the pre-cooled measurement cell. Microgravity experiments were realized in the drop tower of the ZARM Institute (Bremen, Germany), providing a microgravity duration of 9.3 s. Comparing those measurements with the corresponding ground experiments showed the formation of larger agglomerates in microgravity, indicating a more reaction limited agglomeration on ground and a more diffusion limited agglomeration in microgravity. In line with this assumption, a stronger dependency between the initial particle concentration and the size of the formed agglomerates was observed in microgravity. Increasing the gold concentration by a factor of 2.7 on ground doubled the hydrodynamic diameter. In microgravity, however, increasing the gold concentration by a factor of 3.8 led to an increase in the hydrodynamic diameter by a factor of 3.8.

Die Anordnung und Verteilung von Nanopartikeln in einer Matrix hat wesentlichen Einfluss auf die Eigenschaften von Nanokompositen. Die Agglomeration der Partikel und Sedimentation der Agglomerate können die Anordnung der Partikel innerhalb der Matrix verändern. Um den Einfluss der Schwerkraft zu quantifizieren, wurden Agglomerationsversuche unter normalen - und Mikrogravitationsbedingungen durchgeführt. Ein Versuchsaufbau zur Verfolgung der temperaturinduzierten Agglomeration von Hexadecanthiol stabilisierten Goldnanopartikel in Tetradecan mit dynamischer Lichtstreuung wurde erfolgreich entwickelt. Die Probe wurde in einem Aluminiumblock erhitzt und in die vorgekühlte Messzelle injiziert. Mikrogravitationsexperimente wurden im Fallturm des ZARM-Instituts (Bremen, Deutschland) mit einer Mikrogravitationsdauer von 9,3 s durchgeführt. Der Vergleich der Messungen mit den Bodenexperimenten zeigte die Bildung größerer Agglomerate in Schwerelosigkeit, was auf eine eher reaktionslimitierte Agglomeration am Boden und eine eher diffusionslimitierte Agglomeration in Mikrogravitation hinweist. Damit übereinstimmend wurde eine stärkere Abhängigkeit zwischen der Partikelkonzentration und der Größe der gebildeten Agglomerate in Schwerelosigkeit gefunden. Am Boden führte die Erhöhung der Konzentration um den Faktor 2,7 zur Verdopplung des hydrodynamischen Durchmessers. In Mikrogravitation führte die Erhöhung der Konzentration um den Faktor 3,8 zur Erhöhung des Durchmessers um den Faktor 3,8.