Kemiske ingeniører udvikler ny teori til at bygge forbedrede nanomaterialer

Til dels takket være deres særegne elektroniske, optiske og kemiske egenskaber, nanomaterialer bruges i en række forskellige anvendelser fra kemisk produktion til medicin og lysemitterende enheder. Men når man introducerer et andet metal i deres struktur, også kendt som "doping, "Forskere er usikre på, hvilken position metallet vil indtage, og hvordan det vil påvirke nanoclusterens overordnede stabilitet, og dermed øget eksperimentel tid og omkostninger.

Imidlertid, forskere fra University of Pittsburghs Swanson School of Engineering har udviklet en ny teori for bedre at forudsige, hvordan nanoclusters vil opføre sig, når et givent metal introduceres til deres struktur. Studiet, "Thermodynamic Stability of Ligand-Protected Metal Nanoclusters" (DOI:10.1021/acs.jpclett.8b02679) blev vist på forsiden af ​​ACS Journal of Physical Chemistry Letters . Medforfattere er Giannis Mpourmpakis, Bicentennial Alumni Faculty Fellow og adjunkt i kemi- og petroleumsteknik ved Swanson School, og ph.d. kandidat og NSF Graduate Fellow Michael Taylor. Deres resultater forbinder med tidligere forskning fokuseret på at designe nanopartikler til katalytiske applikationer.

"Enginering af størrelsen, form og sammensætning af nanoclusters er en måde at kontrollere deres iboende egenskaber på," sagde Dr. Mpourmpakis. "Især, Ligandbeskyttede Au (guld) nanoclusters er en klasse af nanomaterialer, hvor den præcise kontrol af deres størrelse er opnået. Vores forskning havde til formål bedre at forudsige, hvordan deres bimetalliske modstykker dannes, som ville give os mulighed for lettere at forudsige deres struktur uden overdreven prøve- og fejleksperimentering i laboratoriet."

Forskningen, afsluttet i Dr. Mpourmpakis' Computer-Aided Nano and Energy Lab (C.A.N.E.LA.), satte dem i stand til beregningsmæssigt at forudsige de nøjagtige dopantplaceringer og koncentrationer i ligandbeskyttede Au nanoclusters. De opdagede også, at deres nyligt udviklede teori, som forklarede de nøjagtige størrelser af eksperimentelt syntetiserede Au nanoclusters, var også anvendelig til bimetalliske nanoklynger, som har endnu større alsidighed.

"Denne beregningsteori kan nu bruges til at accelerere opdagelsen af ​​nanomaterialer og bedre guide eksperimentelle bestræbelser, " sagde Dr. Mpourmpakis. "Hvad mere er, ved at teste denne teori på bimetalliske nanoklynger har vi potentialet til at udvikle materialer, der udviser skræddersyede egenskaber. Dette kan have en enorm indflydelse på nanoteknologi."