Forskning finder nye molekylære strukturer i bor-baserede nanoclusters

Brown University forskere og samarbejdspartnere fra Tsinghua University i Kina har vist, at nanoclusters lavet af bor og lanthanid elementer danner meget stabile og symmetriske strukturer med interessante magnetiske egenskaber.

Fundene, udgivet i Proceedings of the National Academy of Sciences på mandag, 9. juli, tyder på, at disse nanoclusters kan være nyttige som molekylære magneter eller samlet til magnetiske nanotråde. Forskningen hjælper også med at kaste lys over strukturen og den kemiske binding af bulkborlanthanider, som kan hjælpe med at udvikle nye boridmaterialer.

"Bor-lanthanider er en vigtig klasse af materialer, der bruges i elektronik og andre applikationer, men nanoklynger af borlanthanider er ikke blevet undersøgt, " sagde Lai-Sheng Wang, en professor i kemi ved Brown og seniorforfatter til et papir, der beskriver arbejdet. "Vi er lige begyndt at undersøge disse nanokluster, og her viser vi, at de kan have en interessant 'invers sandwich'-struktur med den rigtige kombination af bor- og lanthanidatomer."

Strukturen - en ring af bundne boratomer med et enkelt lanthanidatom bundet til hver side - opstod i klynger lavet af otte boratomer og to atomer af enten lanthan eller praseodym (begge medlemmer af lanthanidgruppen i det periodiske system). Sandwichstrukturer – komplekser, hvori to plane aromatiske kulbrintemolekyler omgiver et enkelt metalatom – er velkendte i kemi, og deres opdagelse fik en Nobelpris i 1973. Omvendte sandwichstrukturer er kendt for at dannes i uran-organiske molekylkomplekser, Wang siger, men det er første gang, strukturen er blevet set i bor-lanthanider.

Wangs laboratorium brugte en teknik kaldet fotoelektronspektroskopi til at studere nanoklynger lavet af forskellige kemiske grundstoffer. Teknikken går ud på at zappe atomklynger med en kraftig laser. Hver zap slår en elektron ud af klyngen. Ved at måle den kinetiske energi af de frigjorte elektroner, forskere kan forstå, hvordan atomerne i en klynge er bundet sammen og udlede klyngens fysiske struktur. For at finde strukturerne, Wang sammenlignede fotoelektronspektrene med teoretiske beregninger udført af kvantekemikeren professor Jun Li og hans elever fra Tsinghua.

"Vi fandt ud af, at klynger lavet af otte bor- og to lanthanidatomer er meget symmetriske, som det kan udledes af deres simple spektrale mønstre, " sagde Wang. "I kemi, Når vi finder noget, der er meget symmetrisk, er det meget spændende."

Den symmetri er produceret, Wang sagde, af arten af ​​de kemiske bindinger, der holder strukturen sammen. Naturen af ​​disse bindinger gør også klyngerne meget magnetiske. Det kunne gøre dem nyttige til nanoelektronikapplikationer eller andre steder.

Forskningen hjælper også med at kaste lys over bulkborider, Siger Wang.

"Det giver os en ny måde at forstå bindingen og strukturen af ​​boridmaterialer, "sagde han." Ved at studere små enheder, vi kan få indsigt i bulksystemet, og jeg tror, ​​vi har fået noget af den indsigt her."