Stabilization mechanisms of non-polar metal colloids with thin organic shells

Abstract

Apolar metal nanoparticles are stabilized by ligand shells that enhance colloidal and structural stability, enabling their use as building blocks for functional materials. This dissertation investigates how ligand shell modifications influence two key particle properties: colloidal stability and shape stability. Colloidal stability—the resistance of dispersed particles to agglomeration—depends on the shell’s transition from disordered to ordered states. Three modifications were used. Mixing dispersions with additive molecules partially replaced ligands, moderately improving stability. Non-linear ligands, however, greatly enhanced stability and suppressed shell ordering. Finally, mixed ligand shells showed that stability improvements relied on molecular size differences and the composition and distribution of ligands. Shape stability refers to the core’s resistance to coarsening, mainly governed by the ligand shell’s passivating effect. Here, partial ligand exchange with tetrahydrothiophene weakened this protection, enabling controlled coarsening at moderate temperatures. This modification allowed the creation of gold sponges via aggregation and self-assembly.

Apolare Metallnanopartikel werden durch Ligandenschalen stabilisiert, die die kolloidale und strukturelle Stabilität verbessern und somit ihre Verwendung als Bausteine für funktionelle Materialien ermöglichen. Diese Dissertation untersucht, wie Modifikationen der Ligandenschale zwei wichtige Partikeleigenschaften beeinflussen: die kolloidale Stabilität und die Formstabilität. Die kolloidale Stabilität – die Widerstandsfähigkeit dispergierter Partikel gegen Agglomeration – hängt vom Übergang der Hülle von einem ungeordneten zu einem geordneten Zustand ab. Es wurden drei Modifikationen verwendet. Durch Mischen von Dispersionen mit Additivmolekülen wurden Liganden teilweise ersetzt, was zu einer moderaten Verbesserung der Stabilität führte. Nichtlineare Liganden verbesserten jedoch die Stabilität erheblich und unterdrückten die Hüllenordnung. Schließlich zeigten gemischte Ligandenhüllen, dass Stabilitätsverbesserungen von molekularen Größenunterschieden sowie der Zusammensetzung und Verteilung der Liganden abhingen. Die Formstabilität bezieht sich auf die Widerstandsfähigkeit des Kerns gegen Vergröberung, die hauptsächlich durch die passivierende Wirkung der Ligandenhülle bestimmt wird. Hier schwächte ein teilweiser Ligandenaustausch mit Tetrahydrothiophen diesen Schutz und ermöglichte eine kontrollierte Vergröberung bei moderaten Temperaturen. Diese Modifikation ermöglichte die Herstellung von Goldschwämmen durch Aggregation und Selbstorganisation.