Unveiling Enhanced Electrostatic Repulsion in Silica Nanosphere Assembly: Formation Dynamics of Body-Centered-Cubic Colloidal Crystals

胶体晶体 胶体 化学 分散性 结晶 化学物理 纳米技术 自组装 粒子(生态学) 静电学 化学工程 材料科学 物理化学 高分子化学 有机化学 工程类 地质学 海洋学
作者
Qingsong Fan,Zhiwei Li,Yichen Li,Aiqin Gao,Yuzhi Zhao,Daniel Yang,Chenhui Zhu,T. V. Brinzari,Guoce Xu,Ping Long,Luat T. Vuong,Yadong Yin
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (51): 28191-28203
标识
DOI:10.1021/jacs.3c10817
摘要

We demonstrate the effective establishment of long-range electrostatic interactions among colloidal silica nanospheres through acid treatment, enabling their assembly into colloidal crystals at remarkably low concentrations. This novel method overcomes the conventional limitation in colloidal silica assembly by removing entrapped NH4+ ions and enhancing the electrical double layer (EDL) thickness, offering a time-efficient alternative to increase electrostatic interactions compared with methods like dialysis. The increased EDL thickness facilitates the assembly of SiO2 nanospheres into a body-centered-cubic lattice structure at low particle concentrations, allowing for broad spectrum tunability and high tolerance to particle size polydispersity. Further, we uncover a disorder–order transition during colloidal crystallization at low particle concentrations, with the optimal concentration for crystal formation governed by both thermodynamic and kinetic factors. This work not only provides insights into assembly mechanisms but also paves the way for the design and functionalization of colloidal silica-based photonic crystals in diverse applications.
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