Mindre end nogensinde – udforske de usædvanlige egenskaber ved materialer i kvantestørrelse

Udviklingen af ​​funktionelle nanomaterialer har været et vigtigt vartegn i materialevidenskabens historie. Nanopartikler med diametre fra 5 til 500 nm har hidtil usete egenskaber, såsom høj katalytisk aktivitet, sammenlignet med deres modparter i bulkmaterialer. I øvrigt, efterhånden som partikler bliver mindre, eksotiske kvantefænomener bliver mere fremtrædende. Dette har gjort det muligt for forskere at producere materialer og enheder med egenskaber, som man kun havde drømt om, især inden for elektronik, katalyse, og optik.

Men hvad hvis vi bliver mindre? Sub-nanopartikler (SNP'er) med partikelstørrelser på omkring 1 nm betragtes nu som en ny klasse af materialer med forskellige egenskaber på grund af overvægten af ​​kvanteeffekter. Det uudnyttede potentiale af SNP'er fangede opmærksomheden hos forskere fra Tokyo Tech, som i øjeblikket påtager sig de udfordringer, der opstår på dette for det meste uudforskede felt. I en nylig undersøgelse offentliggjort i Journal of the American Chemical Society , et team af forskere fra Laboratoriet for Kemi og Biovidenskab, ledet af Dr. Takamasa Tsukamoto, demonstrerede en ny molekylær screeningstilgang til at finde lovende SNP'er.

Som man kunne forvente, syntesen af ​​SNP'er er plaget af tekniske vanskeligheder, endnu mere for dem, der indeholder flere elementer. Dr. Tsukamoto forklarer:"Selv SNP'er, der kun indeholder to forskellige elementer, er knap blevet undersøgt, fordi fremstilling af et system med subnanometerskala kræver fin kontrol af sammensætningsforholdet og partikelstørrelsen med atomær præcision." Imidlertid, dette hold af videnskabsmænd havde allerede udviklet en ny metode, hvormed SNP'er kunne fremstilles af forskellige metalsalte med ekstrem kontrol over det samlede antal atomer og andelen af ​​hvert element.

Deres tilgang er afhængig af dendrimerer (se figur 1), en type symmetrisk molekyle, der forgrener sig radialt udad, ligesom træer, der spirer, danner et fælles center. Dendrimerer tjener som en skabelon, hvorpå metalsalte nøjagtigt kan akkumuleres ved bunden af ​​de ønskede grene. Efterfølgende gennem kemisk reduktion og oxidation, SNP'er syntetiseres præcist på dendrimer-stilladset. Forskerne brugte denne metode i deres seneste undersøgelse til at producere SNP'er med forskellige andele af indium- og tinoxider og udforskede derefter deres fysisk-kemiske egenskaber.

Et ejendommeligt fund var, at usædvanlige elektroniske tilstande og iltindhold forekom ved et indium-til-tin-forhold på 3:4 (se figur 2). Disse resultater var uden fortilfælde, selv i undersøgelser af nanopartikler med kontrolleret størrelse og sammensætning, og videnskabsmændene tilskrev dem fysiske fænomener, der var eksklusive på subnanometerskalaen. I øvrigt, de fandt ud af, at de optiske egenskaber af SNP'er med denne elementære andel ikke kun var forskellige fra SNP'er med andre forhold, men også af nanopartikler med samme forhold. Som vist i figur 3, SNP'erne med dette forhold var gule i stedet for hvide og udviste grøn fotoluminescens under ultraviolet bestråling.

Udforskning af materialeegenskaber på subnanometer skala vil højst sandsynligt føre til deres praktiske anvendelse i næste generations elektronik og katalysatorer. Dette studie, imidlertid, er kun begyndelsen inden for sub-nanometer materialer, som Dr. Tsukamoto konkluderer:"Vores undersøgelse markerer den første opdagelse nogensinde af unikke funktioner i SNP'er og deres underliggende principper gennem en sekventiel screeningssøgning. Vi mener, at vores resultater vil tjene som det første skridt mod udviklingen af ​​endnu ukendt kvante materialer i størrelse." Den sub-nanometriske verden venter!