Оптические свойства растворов наночастиц . Поверхностный плазмонный резонанс

При взаимодействии электромагнитного излучения с металлическими наночастицами подвижные электроны проводимости частиц смещаются относительно положительно заряженных ионов металлов решетки. Это смещение носит коллективный характер, при котором движение электронов согласованно по фазе. Если размер частицы много меньше длины волны падающего света, то перемещение электронов приводит к возникновению диполя. В результате возникает сила, стремящаяся возвратить электроны в положение равновесия. Величина возвращающей силы пропорциональна величине смещения, как для типичного осциллятора, поэтому можно говорить о наличии собственной частоты коллективных колебаний электронов в частице. Если частота колебаний падающего света совпадает с собственной частотой колебаний свободных электронов вблизи поверхности металлической частицы, наблюдается резкое увеличение амплитуды колебания «электронной плазмы», квантовым аналогом которой является плазмон. Это явление получило название поверхностный плазмонный резонанс (ППР). В спектре поглощения света появляется пик. Для частиц благородных металлов с размером порядка 10-100 нм ППР наблюдается в видимой области спектра и в ближнем инфракрасном диапазоне. Его положение и интенсивность зависит от размера, формы наночастиц и локального диэлектрического окружения. Наночастицы серебра сферической формы с диаметром 10-25 нм имеют пик поглощения вблизи 400-420 нм (рис. 1а), наночастицы золота сферической формы – 520 нм, наночастицы оксида меди (I) – 450-700 нм.

Наностержни имеют анизотропную симметрию, и поэтому в спектре поглощения наблюдаются два пика, соответствующие поперечному и продольному плазмонам Поперечный плазмон дает абсорбционный пик при 400 нм, а продольный может проявляться в интервале от 500-1000 нм, т.е. в

ближней инфракрасной области. Его положение определяется размерными факторами наностержня, а именно отношением длины к ширине.

D

D

а

б

λ, нм

λ, нм

Рис.1а Оптический спектр поглощения наночастиц серебра

Рис.1б Оптический спектр поглощения стержнеобразных наночастиц серебра

Экспериментальная часть Обработка и представление результатов лабораторных работ

В отчете необходимо представить:

-схему и уравнение реакции синтеза наночастиц

-записи об изменении цвета раствора во время синтеза

-записи о влиянии (или отсутствия влияния) концентрации восстановителя и /или стабилизатора на размеры и устойчивость образующихся наночастиц

-спектр поглощения раствора наночастиц

-выводы о форме и размере наночастиц в синтезированном растворе

Лабораторная работа № 1 Получение наночастиц Ag цитратным способом

Этот метод позволяет получать относительно большие частицы серебра диаметром 60-80 нм. Максимум поглощения 420 нм.

Реактивы и оборудование

Реактивы: 0.005M раствор нитрата серебра AgNO₃, цитрат натрия Na₃C₆H₅O₇∙6H₂O (1%-ный раствор), дистиллированная вода.

Оборудование: весы, спектрофотометр, кварцевые кюветы с длиной оптического пути 1 см, колбы 200 мл, стаканы 50 мл, мешалка с подогревом, мерный цилиндр.

Порядок выполнения работы

1. Приготовить 0,005М (0,085%) раствор AgNO₃ в воде. Для этого растворите 0,0425 г. вещества в 50 мл дистиллированной воды.

2. Перенесите 25 мл приготовленного раствора в колбу и добавьте 100 мл воды.

3. Приготовьте 1% раствор цитрата натрия, растворив 0,5 г его в 50 мл воды.

4. Нагрейте 125 мл полученного раствора нитрата серебра до кипения на плитке с мешалкой.

5. Как только раствор начнет закипать, введите в него 5 мл 1% раствора цитрата натрия.

6. Нагревайте раствор до тех пор, пока цвет не станет бледно-желтым.

7. Оставьте раствор охлаждаться до комнатной температуры при включенной мешалке.

8. Уменьшившийся за счет кипения объем раствора доведите водой до 125 мл.

9. Снять спектр поглощения полученного коллоидного раствора в диапазоне 200 – 800 нм. В качестве раствора сравнения возьмите воду.

10. Снимите спектр поглощения через сутки, неделю. Сравните полученные спектры. Что можно сказать об устойчивости наночастиц? Какие факторы определяют устойчивость наночастиц, полученных по этой методике? Какие ещё известны способы повышения устойчивости металлических наночастиц? Почему водный раствор нитрата серебра хранят в лаборатории в темной посуде?

11. К 5 мл раствора полученных наночастиц серебра добавить по каплям 5 мл разбавленной НCl. Повторить опыт с уксусной кислотой СН₃СООН. Наблюдать постепенное растворение наночастиц серебра и образование белого осадка при добавлении соляной кислоты и обесцвечивание раствора в случае добавления уксусной кислоты. Выводы, наблюдения и уравнения реакций запишите в тетрадь.