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A Quantitative Approach to Characterize the Surface Modification on Nanoparticles Based on Localized Dielectric Environments

表面改性 化学 纳米颗粒 电介质 纳米技术 曲面(拓扑) 化学物理 物理化学 材料科学 几何学 数学 物理 光电子学
作者
Taketo Mochizuki,Shota Sampei,Keishi Suga,Kanako Watanabe,Tom A. J. Welling,Daisuke Nagao
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:96 (8): 3284-3290 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.3c03593
摘要

Nanoparticles (NPs) are utilized for the functionalization of composite materials and nanofluids. Although oxide NPs (e.g., silica (SiO2)) exhibit less dispersibility in organic solvents or polymers due to their hydrophilic surface, the surface modification using silane coupling agents can improve their dispersibility in media with low dielectric constants. Herein, SiO2 NPs were functionalized using octyltriethoxysilane (OTES, C8) and dodecyltriethoxysilane (DTES, C12), wherein the degrees of surface modification of SiO2@C8 and SiO2@C12 were quantitatively evaluated based on the ratio of modifier to surface silanol group (θ) and the volume fraction of organic modifier to total particle volume (ϕR). The variations of surface properties were revealed by analyzing the Hansen solubility parameters (HSP). Particularly, the surface modification using OTES or DTES significantly affected the polarity (δP) of NPs. The local dielectric environments of surface-modified SiO2 NPs were characterized using a solvatochromic dye, Laurdan. By analyzing the peak position of the steady-state emission spectrum of Laurdan in a NP suspension, the apparent dielectric environments surrounding NPs (εapp) were obtained. A good correlation between ϕR and εapp was observed, indicating that ϕR is a reliable quantity for understanding the properties of surface-modified NPs. Furthermore, the generalized polarization (GP) of NPs was investigated. The surface-modified SiO2 NPs with higher ϕR (≥0.15) exhibited GP > 0, suggesting that the modifiers are well-organized on the surface of NPs. The localized dielectric environment surrounding NPs could be predicted by analyzing the volume fraction of nonpolar moieties derived from modifiers. Alternatively, εapp and GP can be utilized for understanding the properties of inorganic-organic hybrid NPs.
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