Metalmix og match:En uventet opdagelse kunne forbedre krystalliniteten af ​​koordinationsnanoark

Koordinationsnanoark er en ny og spirende klasse af todimensionelle materialer, der hurtigt får betydning inden for nanomaterialer. De består af metalioner og organiske ligandmolekyler, forbundet til hinanden for at danne én ramme via koordinationsbindinger. Disse nanoark fungerer som byggeklodser, der kan blandes og matches for at producere en lang række plane strukturer med potentielle anvendelser i elektroniske enheder, batterier og katalytiske systemer.

I 2013 blev benzenhexathiolato (BHT) opdaget som en kraftfuld organisk ligand i koordinationsnanoark. Det blev observeret, at ved at ændre det element, der bruges i metalcentrene, er det muligt at skabe BHT-baserede nanoplader med vidt forskellige strukturelle egenskaber.

Syntesen af ​​BHT-baserede koordinationsnanoark via løsningsbaserede processer har imidlertid vist sig udfordrende, hvilket er ret uheldigt på grund af den økonomiske levedygtighed og skalerbarhed af sådanne tilgange. De resulterende nanoplader mangler krystallinitet, hvilket indikerer dannelsen af ​​små krystallinske domæner med dårlig orienteringskontrol. Disse strukturelle mangler hindrer nanoarkets ydeevne og begrænser videnskabsmænd i at studere nanoarkets struktur-egenskabsforhold.

Nu har et team af forskere ledet af professor Hiroshi Nishihara fra Tokyo University of Science (TUS) Japan undersøgt, om BHT-baserede koordinationsnanoark udviklet ved introduktionen af ​​to metalioner kunne overvinde de førnævnte udfordringer, i en ny undersøgelse, offentliggjort i Avanceret materialer , finansieret af Japan Science and Technology Agency, Japan Society for the Promotion of Science og White Rock Foundation. For at gøre det forberedte holdet, som også omfattede Dr. Ryojun Toyoda og Dr. Naoya Fukui fra TUS, og professor Henning Sirringhaus fra University of Cambridge og professor Sono Sasaki fra Kyoto Institute of Technology, heterometalliske nanopladefilm på en væske- væskegrænseflade, ved at ændre blandingsforholdet mellem to metalioner - kobber (Cu) og nikkel (Ni), i en vandig opløsning. Kort sagt hældte de en vandig opløsning indeholdende disse to metalioner på en organisk opløsning indeholdende en BHT-precursor.

Til deres overraskelse fandt de ud af, at der var dannet en ny strukturel fase ved grænsefladen mellem de to faser med mellemliggende forhold mellem nikkel og kobber. Desuden fandt de ud af, at denne NiCu₂ BHT-film havde meget højere krystallinitet end rene kobber- og nikkelfilm!

Dr. Nishihara og teamet var især begejstrede over disse resultater, fordi en sådan tilgang normalt giver nanoark med dårlig krystallinitet.

"Vores resultater indikerer, at nanoarkene vokser i en bestemt retning og med en fast sammensætning, NiCu₂ BHT, ved væske-væske grænsefladen, når de to metalioner blandes i et passende forhold," forklarer prof. Nishihara. "Det er ekstraordinært, at en sådan simpel blanding af forskellige metalioner resulterede i en unik struktur med 2D periodicitet og forbedret krystallinitet, selv i relativt tykke film," tilføjer han.

Med en stigning i krystallinitet blev der også observeret bemærkelsesværdige forbedringer i ydeevnen af ​​disse heterometalliske nanoark. Elektriske ledningsevnemålinger sammen med analyse af filmmorfologi via elektronmikroskopi-teknikker viste, at disse film har lavere aktiveringsenergier og højere ledningsevner end kobberfilm. Faktisk observerede forskere ledningsevner på op til 1300 S/cm med en afhængighed af temperatur svarende til den for gode metalledere. Disse observationer er bemærkelsesværdige, da sådanne værdier er blandt de højeste, der kan observeres for 2D-koordinations nanoark!

Endelig analyserede holdet de underliggende mekanismer, der førte til denne forbedring i krystallinsk orden og foreslog, at NiCu₂ BHT-film kan naturligt arrangere sig selv i en dobbeltlagsstruktur, der frigiver materialets strukturelle belastning.

"Det er rimeligt at antage, at en dobbeltlagsstruktur er en mere gunstig strukturel fase for heterometalliske BHT-baserede koordinationsnanoark, snarere end de forvrængede strukturer af de tilsvarende homometalliske film. Samlet set åbner vores resultater en stærk ny vej til at forbedre krystalliniteten og tuning af de funktionelle egenskaber af stærkt ledende koordinationsnanoark til en bred vifte af enhedsapplikationer." siger Dr. Nishihara, mens han diskuterer sine resultater. + Udforsk yderligere

Fremstilling på vandet af ledende metal-organiske-ramme nanoark