Propriétés physiques de la silice

Informations générales

Nos nanoparticules de silice sont produites par condensation de silanes pour former des nanoparticules constituées d'un réseau amorphe de silicium et d'oxygène via la méthode Stöber . Les particules sont monodispersées avec des distributions de tailles étroites. L'indice de réfraction de la silice est estimé à 1,43. La densité des nanoparticules de silice est d'environ 2 g/cm 3 et dépend du degré de condensation. La silice colloïdale est amorphe ou non cristalline, ce qui signifie que les atomes n'ont pas d'ordre à longue distance, similaire à la structure atomique du verre massif. Une fois préparés, ils sont facilement mis en suspension dans des solvants polaires tels que l'eau et l'éthanol. En liant différents silanes aux surfaces des nanoparticules, ils peuvent devenir hydrophobes pour être suspendus dans des matrices non polaires.

Contrôle de taille

Des nanoparticules sphériques de silice peuvent être produites à grande échelle avec des tailles allant de dizaines de nanomètres à des micromètres de diamètre. En modifiant les conditions de réaction telles que la concentration des réactifs, le catalyseur utilisé et la température de réaction, la taille des particules peut être facilement ajustée. Par exemple, l’augmentation de la concentration d’eau et d’ammoniac donne des nanoparticules plus grosses, tandis que l’augmentation de la concentration d’orthosilicate de tétraéthyle (TEOS) donne des particules plus petites.

Les images TEM ci-dessous illustrent qu'un contrôle minutieux des conditions de croissance produit des particules uniformes de différentes tailles avec de faibles coefficients de variation (CV). En fait, les particules de silice sont connues pour leur faible CV et ont même été suggérées pour être utilisées comme étalons de taille pour faciliter l'étalonnage des outils de caractérisation des matériaux.1

TEM image of 20 nm  NanoXact silica nanospheres. TEM image of 100 nm NanoXact silica  nanospheres. TEM image of 1 µm NanoXact silica nanospheres.

Compatibilité des solvants de silice

Dispersible dans : éthanol, eau, alcool isopropylique (IPA), diméthylsulfoxyde (DMSO), éthylène glycol, diméthylformamide (DMF)

Difficilement dispersable dans : solvants organiques non polaires

Intéressé par la compatibilité avec la silice qui n’est pas répertoriée ici ? Poursuivez votre lecture pour en savoir plus sur la chimie des surfaces de la silice et nos capacités de synthèse personnalisées.

Fonctionnalisation de surfaces en silice

La silice est connue pour sa chimie de surface riche qui peut être facilement fonctionnalisée avec des centaines de silanes. Les surfaces de silice courantes comprennent des terminaisons amino, mercapto, carboxy et aldéhyde en fonction de l'application d'intérêt. Chez nanoComposix, nous possédons une vaste expérience dans la fabrication de particules avec des tailles et des compositions chimiques de surface personnalisées, dans la conjugaison de particules à une variété de protéines et d'anticorps, et dans l'incorporation de fluorophores, de points quantiques ou de colorants dans des particules de silice colloïdale. Pour plus d'informations, veuillez visiter notre page Synthèse personnalisée ou contactez-nous .

Les nanosphères de silice NanoXact sont disponibles avec une surface de silice nue (non fonctionnalisée) chargée négativement et une surface à terminaison amine chargée positivement. La silice non fonctionnalisée (à terminaison hydroxyle) est idéale pour la physadsorption de petites molécules ou pour les applications nécessitant une stabilité élevée des particules. La silice aminée est utilisée pour la liaison covalente à des molécules telles que des colorants, des protéines et des anticorps.

Silice terminée par des groupes hydroxyles

Les nanoparticules de silice nue ont une très bonne stabilité colloïdale dans l'eau et les alcools. La surface de la silice est très polyvalente et peut être facilement modifiée pour attacher des groupes fonctionnels spécifiques. Cela peut inclure la création de surfaces hydrophobes ou fluorophiles. La structure nanoporeuse de la silice permet à des molécules de poids moléculaire modéré, telles que des fluorophores ou des molécules médicamenteuses, d'être chargées dans l'enveloppe de silice.

Les groupes hydroxyle confèrent aux colloïdes de silice un potentiel zêta négatif important à pH neutre et basique. Les mesures du potentiel zêta de colloïdes de silice de 80 nm de diamètre en fonction du pH montrent que le point isoélectrique des nanoparticules de silice est proche du pH 2. Cela indique qu'à pH > 2, les surfaces seront chargées négativement et fonctionnalisées avec Si-O. groupes.

Pour obtenir de l'aide pour lire et interpréter les données ci-dessus, consultez nos didacticiels sur le potentiel Zeta . Pour en savoir plus sur ce type de chimie de surface, essayez notre module Silica Surface .

Silice terminée par une amine

La silice fonctionnalisée par une amine est utile pour les études de liaison, la conjugaison avec des molécules contenant des groupes carboxyle par couplage EDAC ou la liaison à des colorants et des molécules avec de l'isothiocyanate (ITC) ou des esters réactifs aux amines. Les amines à la surface du colloïde peuvent être protonées à un pH acide pour produire des particules avec un potentiel zêta positif élevé. La mesure du potentiel zêta par rapport au pH pour des particules de silice à terminaison amine de 120 nm indique un point isoélectrique proche du pH 7,5.

Sur la base de la quantité de réactif utilisée lors de l'étape de fonctionnalisation de surface et de la surface disponible pour que le ligand se lie, nous calculons un maximum d'environ 2,5 groupes amine/nm.2 à la surface des particules. Ceci est cohérent avec les rapports de la littérature,2 qui estiment environ deux groupes amine/nm2. En fonction de l'orientation, de la densité de tassement et d'autres facteurs, seule une partie des amines peut être accessible pour la conjugaison. De plus, dans certains cas, il existe également des groupes amine qui sont incorporés dans le réseau de silice sous la surface des particules, qui contribuent au potentiel zêta de la particule et peuvent être détectés à l'aide de différentes méthodes de caractérisation. Cependant, parce qu’elles sont intégrées dans l’enveloppe de silice, ces amines ne sont pas accessibles pour la conjugaison.

La silice fonctionnalisée par amine de NanoComposix est fournie dans l'éthanol afin de préserver l'intégrité des groupes fonctionnels amine à la surface, car la silice a une solubilité beaucoup plus élevée dans l'eau et dans certaines conditions de solution, le réseau de silice se dissoudra partiellement, entraînant une perte de certains groupes fonctionnels. Bien que l'éthanol offre une bonne stabilité du matériau, il est également légèrement basique avec un pH d'environ 7,0 à 7,5, ce qui se trouve être très proche du point isoélectrique de la silice fonctionnalisée par une amine. Cela peut provoquer la floculation et la chute de certaines tailles de silice fonctionnalisée par une amine en raison de la faible charge de surface présente dans ces conditions de solution. Ce phénomène est distinct des nanoparticules de grand diamètre qui se déposent au fil du temps en raison de la gravité. Ceci peut être inversé en dispersant la silice dans un tampon acidifié à faible pH, tel que l'acétate à pH 5. Les tailles > 50 nm peuvent être centrifugées et redispersées dans un tampon à faible pH. Contactez-nous pour plus de détails.

Concentration de nanoparticules de silice

Différents fournisseurs commerciaux signalent la concentration en utilisant diverses méthodes. Lors de la recherche des nanoparticules à acheter et à utiliser, il est essentiel de pouvoir comparer les formulations de différents fournisseurs. Il existe différentes manières de déclarer les concentrations. Nous fournissons ici des tableaux convertissant nos formulations de nanoparticules de silice en d’autres unités de concentration couramment signalées.

Taille
(nm)
Concentration de masse
(mg/ml)
Concentration de particules
(particules/mL)
Pourcentage massique de SiO2
(%)
Densité optique à λ350
(cm-1)
20 10 1.1 × 1015 1.0 0.049
50 10 6.9 × 1013 1.0 0.79
80 10 1.7 × 1013 1.0 2.94
100 10 8.7 × 1012 1.0 4.24
120 10 5.0 × 1012 1.0 4.87
140 10 3.2 × 1012 1.0 6.74
160 10 2.1 × 1012 1.0 8.73
180 10 1.5 × 1012 1.0 10.55
200 10 1.1 × 1012 1.0 10.87

Solubilité de la silice

La silice a une solubilité faible mais non négligeable dans l'eau. Aux valeurs de pH supérieures à 8 et inférieures à 3, la solubilité de la silice augmente rapidement. En concentration diluée, la silice peut se dissoudre à la surface des particules jusqu'à ce que l'équilibre soit atteint. Ceci est particulièrement visible pour les coques de silice sur les nanoparticules métalliques. À faibles concentrations, les coques de silice peuvent être complètement éliminées en quelques heures seulement. La vitesse de dissolution peut être modifiée par exposition au chlorure d'aluminium, chauffage ou température réduite. En revanche, la dissolution lente de la silice peut être avantageuse, permettant de désagglomérer la silice séchée par remise en suspension dans une solution légèrement basique.

Porosité de la silice

L'étendue de la porosité des nanoparticules de silice est hautement réglable et peut être soigneusement contrôlée pendant la synthèse en faisant varier le degré de condensation des groupes hydroxyde (-OH) via un processus appelé olation. La porosité peut également être contrôlée par hydrolyse et dissolution des liaisons siloxane, traitement thermique avec du borohydrure de sodium et gravure post-synthétique dans des conditions basiques. 3 Les nanoparticules de silice solide ne sont que légèrement poreuses par rapport aux nanoparticules métalliques, tandis que les nanoparticules de silice creuses et mésoporeuses ont de grands pores internes qui sont souvent suffisamment spacieux pour incorporer de petites molécules ou même de grosses biomolécules à l'intérieur de la nanoparticule.

La figure ci-dessus montre que chaque molécule d'orthosilicate de tétraéthyle (TEOS) du réseau de silice peut se coupler à quatre autres molécules de silane via des ponts d'atomes d'oxygène. Cependant, lors des procédures standard de croissance sol-gel et de revêtement, de nombreux hydroxydes sont encore présents dans le revêtement. Ces groupes –OH non liés réduisent la densité de la silice et augmentent ainsi sa porosité ; une condensation plus complète peut être provoquée par le chauffage des particules. Cette porosité réglable se prête à la fabrication facile de nanostructures de silice mésoporeuse et de silice poreuse creuse. Il est intéressant de noter que la silice peut être creusée même en juxtaposition avec d’autres matériaux pour la formation contrôlée d’hétérostructures et de nanoparticules cœur-coquille avec de la silice poreuse conçue dans différentes régions spatiales des particules.

Autres variantes de la silice

Alumine Silice (Aluminosilicate)

L'aluminosilicate fait référence à la classe de matériaux dans lesquels des atomes d'aluminium remplacent certains atomes de silicium. Plusieurs polymorphes d'aluminosilicate existent dans la nature et peuvent être fabriqués synthétiquement, et comme la silice, ces matériaux sont amorphes. Les aluminosilicates sont particulièrement connus pour leur résistance à haute température, au-delà de celle d'autres verres apparentés et de l'ordre des propriétés généralement associées aux céramiques.

Une méthode très efficace pour augmenter la robustesse des nanoparticules de silice dans l’eau consiste à convertir une partie de la surface de silice incomplètement condensée en aluminosilicate. Cette conversion de surface réduit considérablement la dissolution de la silice et préserve sa chimie de surface. L'aluminosilicate peut également être déposé sous forme de coques sur les surfaces de différents types de noyaux de nanoparticules ; par exemple, des nanoparticules magnétiques pour améliorer leur stabilité et/ou faciliter leur liaison à l'ADN.

Silice cloutée

Des nanoparticules d’identités variées peuvent également être fixées sur des surfaces de silice dans le but d’une grande variété d’applications biomédicales et technologiques. Par exemple, les nanoparticules d’or enrobées de silice peuvent être parsemées de points quantiques (QD) fluorescents à la surface. La fluorescence des QD peut être utilisée pour suivre les particules pour des applications nanomédicales.

Ces variétés vous intéressent ? Apprenez-en davantage sur nos capacités de synthèse personnalisée .

Les références

  1. Kimoto, S. ; Dick, WD ; Chasse, B. ; Szymanski, WW ; McMurry, PH ; Roberts, DL ; Pui, D. Y. H. Caractérisation des étalons de silice nanométrique. Aérosol Sci. Tech. 2017, 51 (8), 936-945.
  2. Schiestel, T. ; Brunner, H. ; Tovar, G. E. Fonctionnalisation de surface contrôlée de nanosphères de silice par réactions de conjugaison covalente et préparation de nanoparticules de streptavidine haute densité. J. Nanosci. Nanotechnologie. 2004, 4 (5), 504-11.
  3. Liu, S. ; Han, M.-Y. Nanoparticules métalliques recouvertes de silice. Chimie. Asiatique J. 2010, 5, 36-45.

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