Forskere afslører dynamikken mellem klynger og klynger mellem thiolatbeskyttede guld-sølvlegeringer

Fra effektiv medicin til molekylære sensorer til brændselsceller, metalklynger bliver grundlæggende nyttige i sundheden, miljø, og energisektorer. Denne forskelligartede funktionalitet af klynger skyldes variationen i størrelse og type. Nu, videnskabsmænd ledet af professor Yuichi Negishi, ved Institut for Anvendt Kemi ved Tokyo University of Science, tilføj denne igangværende fortælling ved at forklare dynamikken i metalklyngen thiolatbeskyttet guld-sølvlegering i opløsning. Dette hjælper med at forstå stabiliteten, geometri, og holdbarheden af ​​disse klynger til deres applikationer.

Metalklynger dannes, når metalatomer samles og danner klumper, et sted mellem størrelsen af ​​et molekyle og størrelsen af ​​et bulk fast stof. For nylig, disse klynger har fået meget opmærksomhed på grund af deres forskellige kemiske egenskaber, der afhænger af deres størrelse og sammensætning. I modsætning til de lukkede, sæt, og stabil pakning observeret i bulk metalgitre, geometrien af ​​disse klynger, som ofte også styrer deres kemiske reaktivitet, er baseret på specielle atomarrangementer, der minimerer energi. Desuden, deres funktionaliteter varierer afhængigt af antallet af konstituerende atomer i klyngen. Fordi disse mikroniveaufaktorer styrer klyngernes ultimative makroniveauaktivitet, forståelse af klyngedynamik i atomskala er afgørende. Nylig efterforskning inden for sådanne metalklynger har muliggjort katalogisering af disse klumper som forbindelser med definerede kemiske sammensætninger.

En sådan interessant metalklynge med katalytiske egenskaber og luminescens er den thiolatbeskyttede guld-sølv legeringsklynge. Disse metalklynger dannes, når thiolatbeskyttede individuelle guld- og sølvklynger holdes sammen i en opløsning. De enkelte rene klynger undergår metaludveksling, som en kemisk "byttehandel":et guld for et sølvatom. Mens klynge-metal kompleks reaktion (CMCR) metoden er meget udbredt, den faktiske dynamik og energiincitamentet, der driver sådanne processer, er ikke forstået. Dette blev kimen til nysgerrighed for Prof. Negishis team, som de siger, "Den dynamiske adfærd af disse klynger i opløsning skal tages i betragtning for at forstå oprindelsen af ​​den katalytiske aktivitet og luminescensegenskaber af guld-sølv legeringsklynger ud over den geometriske struktur."

For at belyse metaludvekslingsadfærden mellem de rene klynger efter syntese, holdet udtænkte et eksperiment baseret på omvendt fase-kromatografi. De fokuserede på dette setup, fordi det differentierer molekyler baseret på elektroniske funktioner, dvs. om molekylet er polært (med et samtidigt positivt og negativt center) eller upolært (uden ladningsseparation).

At bruge denne opsætning viste sig at være umagen værd, da holdet rapporterede, at faktisk, de enkelte strukturelle isomerer (forskellig rumlig og geometrisk fordeling for en given klynge) ændrer sig i løsning, selvom klyngens masse forbliver uændret. Dette indikerede, at der var intra-klyngeudveksling af metalatomer, hvilket ændrede klyngens elektroniske tilstand, selvom massen forblev den samme. De rapporterede også, at efter syntesen, med tidens gang, koncentrationen af ​​forskellige strukturelle typer af guld-sølv-legeringer i opløsningen ændrede sig. Dette indikerede, at der også var en metaludveksling mellem klynger på spil. Til sidst, forskerne observerede også, at metaludvekslingen mellem klynger forekommer meget hyppigere efter syntese og til sidst bremses efter at have holdt i lang tid. De tildelte dette til forskellen i stabilitet og energi mellem de forskellige strukturer. "De metastabile geometrier, der oprindeligt blev dannet, konverteres sandsynligvis til termodynamisk stabile geometrier gennem inter-cluster (og intra-cluster) metaludveksling i opløsning, "forklarer prof. Negishi.

Forskerne bekræftede deres påstande om den observerede dynamik i klynge-metal-kompleksreaktionen (CMCR) ved at udføre en sammenlignende undersøgelse med den alternative synteseprocedure. Siden, traditionelle procedurer (Co-Reduction of Metal Ions) producerer legeringer under svære forhold, kun de termodynamisk og energetisk gunstige strukturer ser dagens lys. Dermed, overvejende stabile strukturer dannes, hvilket indikerer, at metaludveksling er relativt undertrykt. Dette stod i modsætning til klyngerne dannet af CMCR, hvor signaturer for forskellige arter i første omgang observeres. Som tiden går, som alle ting i naturen, de ustabile arter forsøger at omarrangere sig til stabile. Hvordan? Gennem metaludveksling, selvfølgelig!

At opsummere, Prof. Negishi udtaler, "Disse resultater viser, at guld-sølv legeringsklynger har forskellige geometriske strukturer (og fordelinger) umiddelbart efter syntese, afhængig af syntesemetoden. Derved, deres dynamiske adfærd i løsning afhænger også af syntesemetoden. "

Studiet af klynger med forskellige kernestørrelser og sammensætninger er spændende, da det giver spændende muligheder for at udnytte nye fysiske og kemiske egenskaber. Men det er ikke alt:det giver også et indblik i deres struktur-ejendomsforhold, næsten som at kigge ind i atomernes "sociale liv".