나노입자의 구조를 제어하는 리간드-나노입자 상호작용에 대한 다중 스케일 조사

Abstract

다양한 종류의 금속 나노입자에 표면 선택적으로 흡착하여 콜로이드상 나노입자 합성과정 동안 나노입자의 모양과 크기 그리고 광학, 자기, 촉매 특성을 조절하는 리간드는 나노입자와의 직접 결합 및 van der Waals 상호작용을 통해 복잡한 양상으로 빠르게 흡착 및 탈착을 이룬다. 특히 이러한 흡착 양상은 step, edge, kink로 대칭성이 낮은 나노입자와의 상호작용에서 더욱 복잡해지므로 복잡한 구조에서 효율적으로 리간드 흡착 양상을 분석하고 이에 따른 나노입자 구조 제어에의 영향을 분석하는 방법이 필요하다. 본 논문에서는 분자 동역학 및 기계학습 기반 제일 원리 계산을 통한 다중 스케일 조사를 통하여 서로 다른 리간드 시스템하에서의 금 나노입자 융합 과정의 차이를 분석하고, 백금 나노입자와 PVP의 흡착 에너지를 인공 신경망을 통해 예측, 흡착 양상을 분석하였다. 이러한 다중 스케일 조사를 통하여 이중성분 리간드 시스템에서 나타나는 향상된 유동성이 금 나노입자의 빠른 접근 및 구조 이완 과정을 보임을 나타내며 백금 나노입자의 PVP 흡착 에너지는 흡착 부위의 CN뿐만 아니라 주변 환경의 기하학적인 특성에 영향받음을 확인하였다.

The surface-bound ligands adsorb selectively on various types of metal nanoparticle surfaces to regulate their structure and properties. In particular, these adsorption tendencies become more complex in interactions with nanoparticles with low-symmetry steps, edges, and kinks. However, investigation of the adsorption behavior on nanoparticles is a challenge because low-symmetry surface structures of synthesized nanoparticles intrinsically have no symmetry-equivalent site and ligand adsorption energy is influenced by both van der Waals interaction and direct binding. Here, we employ multiscale investigation combining MD simulation and machine-learning-accelerated ab-initio calculation to analyze ligand-dependent coalescence processes occurring in the synthesis of gold nanoparticles and complex adsorption behavior of PVP on the synthesized platinum nanoparticle surface. The analyses demonstrated that enhanced ligand mobility, employing a heterogeneous ligand mixture, results in the rapid nanoparticle pairing approach and a fast post-merging structural relaxation, and the PVP binding affinity on Pt nanoparticles with complex surface structures is affected by the coordination of binding sites, and their surrounding surface local geometry as well.