Nanovidenskabens gennembrud:Undersøgelse af partikler mindre end en milliardtedel meter

Forskere ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) har udviklet en ny metode, der gør det muligt for forskere at vurdere den kemiske sammensætning og struktur af metalliske partikler med en diameter på kun 0,5 til 2 nm. Dette gennembrud inden for analytiske teknikker vil muliggøre udvikling og anvendelse af minimale materialer inden for elektronik, biomedicin, kemi, og mere.

Studiet og udviklingen af ​​nye materialer har muliggjort utallige teknologiske gennembrud og er afgørende på tværs af de fleste videnskabsområder, fra medicin og bioteknik til banebrydende elektronik. Det rationelle design og analyse af innovative materialer i nanoskopiske skalaer giver os mulighed for at skubbe gennem grænserne for tidligere enheder og metoder for at nå hidtil usete niveauer af effektivitet og nye muligheder. Sådan er det med metalnanopartikler, som i øjeblikket er i søgelyset for moderne forskning på grund af deres utallige potentielle anvendelser. En nyligt udviklet syntesemetode, der bruger dendrimermolekyler som skabelon, giver forskere mulighed for at skabe metalliske nanokrystaller med diametre på 0,5 til 2 nm (milliarddele af en meter). Disse utroligt små partikler, kaldet "subnano-klynger" (SNC'er), har meget karakteristiske egenskaber, såsom at være fremragende katalysatorer for (elektro)kemiske reaktioner og udvise ejendommelige kvantefænomener, der er meget følsomme over for ændringer i antallet af atomer i klyngerne.

Desværre, de eksisterende analysemetoder til at studere strukturen af ​​materialer og partikler i nanoskala er ikke egnede til SNC-detektion. En sådan metode, kaldet Raman-spektroskopi, består i at bestråle en prøve med en laser og analysere de resulterende spredte spektre for at opnå et molekylært fingeraftryk eller en profil af materialets mulige komponenter. Selvom traditionel Raman-spektroskopi og dens varianter har været uvurderlige værktøjer for forskere, de kan stadig ikke bruges til SNC'er på grund af deres lave følsomhed. Derfor, et forskerhold fra Tokyo Tech, herunder Dr. Akiyoshi Kuzume, Prof. Kimihisa Yamamoto og kolleger, undersøgte en måde at forbedre Raman-spektroskopimålinger og gøre dem kompetente til SNC-analyse (figur).

En bestemt type Raman-spektroskopi-tilgang kaldes overfladeforstærket Raman-spektroskopi. I sin mere raffinerede variant, guld- og/eller sølvnanopartikler indesluttet i en inert tynd silicaskal tilsættes prøven for at forstærke optiske signaler og dermed øge teknikkens følsomhed. Forskerholdet fokuserede først på teoretisk at bestemme deres optimale størrelse og sammensætning, hvor 100-nm sølv optiske forstærkere (næsten dobbelt så stor som almindeligt anvendt) i høj grad kan forstærke signalerne fra SNC'erne, der er klæbet til den porøse silicaskal. "Denne spektroskopiske teknik genererer selektivt Raman-signaler af stoffer, der er tæt på overfladen af ​​de optiske forstærkere, " forklarer prof. Yamamoto. For at afprøve disse resultater, de målte Raman-spektrene af tinoxid-SNC'er for at se, om de kunne finde en forklaring i deres strukturelle eller kemiske sammensætning for deres uforklarligt høje katalytiske aktivitet i visse kemiske reaktioner. Ved at sammenligne deres Raman-målinger med strukturelle simuleringer og teoretiske analyser, de fandt ny indsigt i strukturen af ​​tinoxid SNC'erne, forklarer oprindelsen af ​​atomicitetsafhængig specifik katalytisk aktivitet af tinoxid SNC'er.

Metoden anvendt i denne forskning kan have stor indflydelse på udviklingen af ​​bedre analytiske teknikker og subnanoskala videnskab. "Detaljeret forståelse af stoffernes fysiske og kemiske natur letter det rationelle design af subnanomaterialer til praktiske anvendelser. Meget følsomme spektroskopiske metoder vil accelerere materialeinnovation og fremme subnanovidenskab som et tværfagligt forskningsfelt, " konkluderer Prof. Yamamoto. Gennembrud som det, der præsenteres af dette forskerhold, vil være afgørende for at udvide anvendelsesområdet for subnanomaterialer på forskellige områder, herunder biosensorer, elektronik, og katalysatorer.

Undersøgelsen er publiceret i Videnskabens fremskridt .