Функционализация поверхности наночастиц представляет собой процесс модификации их поверхности с целью изменения химических, физико-химических и биологических свойств. Основная цель — придание наночастицам специфических характеристик: устойчивости в растворе, селективной адсорбционной способности, биосовместимости или каталитической активности. Поверхность наночастиц является высоко реакционноспособной из-за большой удельной поверхности и наличия незавершённых координационных связей, что делает их идеальной платформой для химических модификаций.
Функционализация может быть ковалентной и нековалентной. Ковалентные методы обеспечивают стабильное и долговременное присоединение функциональных групп к поверхности, в то время как нековалентные включают адсорбцию молекул, гидрофобные взаимодействия, водородные связи или электростатические взаимодействия.
Основу функционализации составляют реакционноспособные группы на поверхности наночастиц. Для металлических наночастиц, например золота или серебра, важны тиольные и аминогруппы, которые могут образовывать стабильные ковалентные связи с поверхностью. Для оксидных наночастиц (TiO₂, SiO₂, Fe₃O₄) критически важны гидроксильные группы, способные к сшиванию с органическими молекулами через силанизацию, эстерификацию или амидирование.
Функциональные группы выполняют несколько ключевых функций:
Для оксидных наночастиц силанизация является ключевым методом, при котором органические силаны (R–SiX₃, где X = Cl, OR) реагируют с гидроксильными группами на поверхности, образуя стабильные Si–O–M связи. Силаны могут нести различные функциональные группы (амин, карбоксил, эпоксид), позволяя гибко настраивать свойства поверхности.
Металлические наночастицы часто стабилизируют молекулами с тиольными (-SH), аминогруппами (-NH₂) или фосфинными группами. Тиолы формируют прочные Au–S или Ag–S связи, обеспечивая высокую устойчивость к десорбции и агрегации.
Полимеры, такие как полиэтиленгликоль (PEG), полиакриламид, хитоин и белки, создают стерическую стабилизацию и улучшают биосовместимость. Полимерные оболочки также могут содержать активные группы для последующего присоединения молекул-мишеней, красителей или лекарственных средств.
Нековалентные методы основаны на слабых взаимодействиях: π–π взаимодействия, водородные связи, электростатическое притяжение. Такой подход используется для временной адсорбции биомолекул или органических красителей на поверхности наночастиц.
Функционализация позволяет управлять несколькими критическими параметрами:
Функционализация поверхности является центральным элементом в управлении свойствами наноматериалов, позволяя создавать системы с заданной химической, физической и биологической активностью, что открывает широкие возможности для науки и технологий.