나노입자는 왜 응집되는가?

1. 표면 자유 에너지 구동 메커니즘

나노입자는 더 큰 비표면적과 불포화 표면 원자를 가지므로 표면 자유 에너지가 증가합니다. 다중 입자 접촉은 전체 표면적을 감소시키고, 계면 에너지를 방출하여 시스템의 자유 에너지를 낮출 수 있습니다. 이러한 에너지 최소화 경향은 입자의 자발적 응집을 뒷받침하는 고유한 열역학적 원동력이며, 나노스케일에서 응집의 일반적인 원인입니다.

2. 정전기와 전기이중층 불안정성

하전된 입자에 의해 형성된 전기 이중층은 정전기적 반발력에 의한 안정적인 분산 상태를 제공할 수 있습니다. pH가 등전점에 접근하거나 이온 강도가 증가하면 이중층이 압축되고 반발력이 감소하며, 입자 간의 인력이 우세해져 응집이 발생합니다. 이러한 전위 장벽의 안정성은 시스템의 응집 방지 능력을 결정합니다.

3. 용매매체 작용의 영향

용액 속 입자는 계면 안정성을 확보하기 위해 용매화 껍질에 의존합니다. 용매의 극성이 약하고 친화도가 낮으면 효과적인 용매화 층을 형성하기 어려워 입자 간의 직접 접촉이 증가하고, 반데르발스 힘이 증가하며, 응집이 유발됩니다. 따라서 용매의 물리적 및 화학적 특성은 입자의 분산 상태에 직접적인 영향을 미칩니다.

4.화학결합 응집모드

반응성이 높은 입자는 표면에 있는 히드록실기나 카르복실기와 같은 작용기의 수소 결합, 배위 결합 또는 공유 결합을 통해 안정적인 클러스터를 형성할 수 있습니다. 이러한 화학 결합은 응집을 비가역적으로 만들고 물리적으로 분리하기 어렵게 만듭니다. 이 과정은 표면 에너지 상태와 작용기의 화학적 반응성에 기반합니다.

나노입자는 왜 분산되는가?

1. 정전기적 반발을 통한 잠재 에너지 장벽 구축

입자의 표면 전하는 액체 내에서 전기 이중층 구조를 형성하며, 두 입자가 접근하면 전기 이중층 사이에 정전기적 반발력이 발생합니다. 이러한 반발 효과는 입자 사이에 위치 에너지 장벽을 형성하여 단거리 인력으로 인한 응집을 효과적으로 억제할 수 있습니다. 시스템의 총 위치 에너지에 충분히 높은 위치 장벽이 존재하면 입자는 동적으로 안정된 상태에 있게 됩니다. 이러한 메커니즘은 전하 밀도, 유전율, 그리고 이온 강도에 의존하며, 수성 콜로이드의 일반적인 안정 기반입니다.

2. 공간 입체 장애 효과 강화 간격

입체 장애 효과는 입자 표면에 고분자 세그먼트가 흡착되거나 접목되어 발생합니다. 입자가 서로 접근하려고 할 때, 이러한 분자 구조는 형태적 압축력과 반발력을 생성하여 입자 접촉을 방해합니다.
이 메커니즘은 표면 전하에 의존하지 않으며 높은 이온 강도 또는 비극성 시스템에 적합합니다. 공간적 방해는 물리적 장벽을 제공하며, 폴리머 코팅 또는 계면활성제 시스템에서 가장 일반적인 분산 메커니즘 중 하나이며, 특히 표면 개질된 입자에서 두드러집니다.

3.용매화 쉘은 접촉을 방해합니다.

입자가 용매 분자와 안정한 용매화층을 형성할 때, 이 층은 입자가 접근할 때 상당한 에너지 장벽을 형성하여 입자 간의 직접적인 접촉을 방지합니다. 용매화층의 두께와 안정성은 용매의 극성, 수소 결합 능력, 그리고 입자 표면과의 친화도에 따라 달라집니다. 입자 간의 접촉이 용매화층의 탈착 에너지를 극복해야 하는 경우, 이 에너지 장벽은 응집 가능성을 효과적으로 감소시킬 수 있으며, 비전기적 반발 조건에서 중요한 분산 보장 메커니즘이 됩니다.

4. 표면 기능화로 화학적 안정성 향상

표면 기능화는 전하, 공간 구조 또는 소수성 조절 인자를 도입하여 입자 반발력을 강화하거나 계면 적합성을 개선하여 분산 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 리간드, 고분자 사슬 또는 작용기를 접목함으로써 표면은 전기적 반발력과 공간적 보호라는 이중 메커니즘을 달성하여 입자가 접근하여 응집체를 형성하는 것을 어렵게 만듭니다. 이 방법은 금속 산화물 및 양자점과 같은 시스템에서 널리 사용되며, 제어 가능한 분산을 달성하기 위한 핵심 전략 중 하나입니다.

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