Nanokimia berkaitan dengan sintesis, karakterisasi, dan aplikasi material dengan dimensi dalam kisaran 1-100 nm. Pada skala ini, material menunjukkan sifat yang berbeda dari atom terisolasi dan padatan curah karena dua faktor utama: rasio permukaan-terhadap-volume yang tinggi dan efek kurungan kuantum. Saat ukuran partikel menurun, fraksi atom di permukaan meningkat drastis, membuat energi permukaan dan kimia permukaan menjadi dominan. Untuk partikel 10 nm, sekitar 15% atom berada di permukaan; untuk partikel 2 nm, ini melebihi 60%. Ini memiliki implikasi mendalam untuk katalisis, penginderaan, dan reaktivitas.

Kurungan Kuantum

Kurungan kuantum terjadi ketika dimensi material menjadi sebanding atau lebih kecil dari jari-jari Bohr eksiton, membatasi pergerakan elektron dan lubang. Konsekuensi terpenting adalah bahwa celah pita (E_g) meningkat dengan menurunnya ukuran partikel, menggeser absorpsi optik ke energi yang lebih tinggi (panjang gelombang lebih pendek). Celah pita yang bergantung pada ukuran ini dijelaskan oleh persamaan Brus: E_g(R) = E_g(curah) + h²/(8R²)(1/m_e* + 1/m_h*) - 1,8e²/(4πεε₀R), di mana R adalah jari-jari partikel, dan m_e* serta m_h* adalah massa efektif elektron dan lubang. Suku tambahan pertama mewakili energi lokalisasi kuantum, sedangkan suku kedua memperhitungkan tarikan Coulomb antara elektron dan lubang (energi ikat eksiton).

Strategi Sintesis

Nanomaterial disintesis oleh dua pendekatan komplementer. Metode top-down dimulai dengan material curah dan mengurangi dimensinya: litografi (fotolitografi, litografi berkas elektron) memola fitur skala nano pada permukaan; penggilingan bola menggiling material secara mekanis menjadi nanopartikel; dan ablasi laser memproduksi nanopartikel dengan menguapkan target. Metode bottom-up membangun nanostruktur dari prekursor atom atau molekul: sintesis sol-gel melibatkan hidrolisis dan kondensasi alkoksida logam untuk membentuk jaringan oksida; deposisi uap kimia (CVD) menguraikan prekursor volatil pada substrat yang dipanaskan; dan sintesis koloid menggunakan metode injeksi-panas menghasilkan nanopartikel monodispersi dengan nukleasi cepat semua partikel diikuti oleh pertumbuhan terkendali (pematangan Ostwald).

Nanopartikel Logam

Nanopartikel emas (AuNP) mungkin adalah nanostruktur logam yang paling banyak dipelajari karena warna intensnya yang timbul dari resonansi plasmon permukaan (SPR). SPR terjadi ketika elektron konduksi dalam nanopartikel berosilasi secara kolektif dalam resonansi dengan cahaya datang, menghasilkan absorpsi dan hamburan yang kuat di daerah tampak. Panjang gelombang SPR bergantung pada ukuran partikel, bentuk, dan lingkungan dielektrik lokal: AuNP bola menyerap pada ~520 nm (merah), sedangkan batang nano menunjukkan dua pita plasmon (transversal dan longitudinal) dengan pita longitudinal yang dapat disetel ke inframerah dekat. Kemampuan penyetelan ini memungkinkan aplikasi dalam penginderaan kolorimetri (mis., tes kehamilan), terapi fototermal, dan spektroskopi Raman yang diperkuat permukaan (SERS). Nanopartikel perak memiliki SPR yang lebih kuat dan banyak digunakan sebagai agen antibakteri dalam pelapis, tekstil, dan pembalut luka.

Titik Kuantum dan Nanomaterial Karbon

Titik kuantum (QD) adalah nanokristal semikonduktor yang menunjukkan fotoluminesensi yang dapat disetel ukurannya. Kadmium selenida (CdSe) QD adalah yang paling banyak diteliti, biasanya dipasifkan dengan cangkang seng sulfida (ZnS) untuk meningkatkan hasil kuantum dan fotostabilitas. Panjang gelombang emisi disetel dari biru ke merah dengan meningkatkan ukuran partikel (2-10 nm). QD memiliki spektrum emisi yang sempit dan simetris serta absorpsi yang lebar, membuatnya lebih unggul dari pewarna organik untuk pencitraan multipleks dan pelabelan biologis. Nanomaterial karbon mewakili kelas utama lainnya. Fulleren (C₆₀, C₇₀) adalah sangkar karbon nol-dimensi; tabung nano karbon (CNT) adalah lembaran grafit yang digulung satu-dimensi (berdinding tunggal atau berdinding banyak); dan grafena adalah lembaran karbon sp² dua-dimensi dengan sifat listrik, termal, dan mekanik yang luar biasa.

Teknik Karakterisasi

Mengkarakterisasi nanomaterial memerlukan teknik khusus yang mampu meresolusi fitur sub-nanometer. Mikroskopi elektron transmisi (TEM) menggunakan berkas elektron terfokus untuk mencitrakan partikel hingga resolusi atom, memberikan informasi tentang ukuran, bentuk, dan kristalinitas. Mikroskopi elektron pemindaian (SEM) mencitrakan permukaan dengan resolusi nanometer dengan mendeteksi elektron sekunder. Mikroskopi gaya atom (AFM) menggunakan ujung tajam untuk memetakan topografi permukaan dengan resolusi vertikal sub-nanometer, berlaku untuk sampel konduktor dan isolator. Hamburan cahaya dinamis (DLS) mengukur ukuran partikel dalam larutan dengan menganalisis fluktuasi intensitas cahaya yang dihamburkan karena gerakan Brown. Difraksi sinar-X (XRD) mengkonfirmasi kristalinitas dan mengukur ukuran kristalit melalui persamaan Scherrer.

Aplikasi Nanomaterial

Nanoteknologi memiliki aplikasi transformatif di berbagai bidang. Dalam kedokteran, nanopartikel berfungsi sebagai kendaraan pengiriman obat yang meningkatkan bioavailabilitas, memungkinkan pengiriman tertarget (melalui fungsionalisasi permukaan dengan antibodi atau ligan), dan memberikan pelepasan terkendali. Pembawa nano seperti liposom, nanopartikel polimer, dan nanopartikel silika mesopori berada dalam penggunaan klinis atau uji coba lanjutan. Dalam katalisis, nanopartikel menawarkan luas permukaan tinggi dan aktivitas yang bergantung pada ukuran; nanopartikel emas, yang inert sebagai material curah, menjadi katalis yang sangat baik untuk oksidasi CO dan reaksi lainnya di bawah 5 nm. Dalam penginderaan, sensitivitas ekstrem nanopartikel plasmonik terhadap perubahan indeks bias lokal memungkinkan deteksi bebas-label biomolekul pada konsentrasi attomolar. Aplikasi lingkungan meliputi membran nanofiltrasi, degradasi fotokatalitik polutan menggunakan nanopartikel TiO₂, dan nanosensor untuk deteksi logam berat.