Lille, men mægtig:Fremviser præcision af nanoclusterdannelse med molekylære fælder

Nanoclusters (NC'er) er krystallinske materialer, der typisk findes på nanometerskalaen. De er sammensat af atomer eller molekyler i kombination med metaller som kobolt, nikkel, jern og platin og har fundet adskillige interessante anvendelser på tværs af forskellige områder, herunder lægemiddellevering, katalyse og vandrensning.

En reduktion i størrelsen af ​​NC'er kan frigøre yderligere potentiale, hvilket giver mulighed for processer såsom enkeltatom-katalyse. I denne sammenhæng viser koordineringen af ​​organiske molekyler med individuelle overgangsmetalatomer lovende for yderligere fremskridt på dette område.

En innovativ tilgang til yderligere at reducere størrelsen af ​​NC'er involverer at introducere metalatomer i selvsamlede monolagsfilm på flade overflader. Det er dog afgørende at udvise forsigtighed med at sikre, at arrangementet af metalatomer på disse overflader ikke forstyrrer den ordnede karakter af disse monolagsfilm.

Nu, i en nylig undersøgelse omtalt i Journal of Materials Chemistry C , Dr. Toyo Kazu Yamada fra Graduate School of Engineering ved Chiba University, sammen med Masaki Horie fra Department of Chemical Engineering ved National Tsing Hua University, Satoshi Kera fra Institute for Molecular Science, og Peter Krüger også fra Graduate School of Engineering ved Chiba University har vist overfladevæksten af ​​koboltatomer på molekylære ringarrays ved stuetemperatur.

Dr. Yamada taler om dette fremskridt, siger:"Denne avancerede metode til funktionel nanocluster-dannelse med præcision i atomare skala kan bruges i udviklingen af ​​højeffektive katalysatorer eller i kvanteberegning."

I undersøgelsen brugte holdet ringformede molekylære strukturer kaldet "kroneethere", som indeholder benzen- og bromringe. Disse strukturer blev brugt til at fange og dyrke kobolt NC'er på flade kobberoverflader. De resulterende kobolt-NC'er havde to størrelser, 1,5 nm og 3,6 nm. For at forstå deres egenskaber og struktur yderligere blev der anvendt forskellige teknikker, herunder lavtemperatur scanning tunneling mikroskopi og spektroskopi (STM og STS), vinkel-opløst fotoelektron spektroskopi (ARPES) med lav energi elektron diffraktion (LEED) og tæthed funktionel teori ( DFT) beregninger.

Analysen afslørede dannelsen af ​​stabile overfladesteder, hvortil koboltatomerne kunne binde sig. Derudover viste det sig, at dannelsen af ​​disse stabile overfladesteder var påvirket af den elektroniske hybridisering (blanding) mellem kroneetherne og kobolt. Når først koboltatomet var fanget, virkede det som et kernedannelsescenter, der tiltrak andre koboltatomer til at danne en NC. Derudover, i modsætning til den sædvanlige opførsel af kroneethermolekyler i opløsning, fangede disse molekyler ikke metalatomet i midten af ​​kronringen. I stedet var metalatomet ved kanten på grund af tilstedeværelsen af ​​bromatomer på det sted.

Dr. Yamada, der diskuterer det langsigtede potentiale af disse resultater, siger:"Brugen af ​​denne tilgang i applikationer såsom enkeltatomkatalyse, miniaturisering af spintronics-medier og kvantecomputere vil bidrage til udviklingen af ​​et informationsbaseret samfund i en måde, der reducerer kuldioxid (CO₂ ) produktion."

Sammenfattende har holdet med succes demonstreret væksten af ​​kobolt NC'er ved at udnytte fangstpotentialet af todimensionelle kroneethermolekyler på en kobberoverflade. Kroneethermolekylernes kemiske opførsel afveg fra typiske interaktioner observeret i opløsning ved at fange koboltatomer ved kanten og ikke midten. Det er vigtigt, at metoden demonstrerede effektiv og storstilet produktion af NC'er med veldefineret størrelse og morfologi ved stuetemperatur.

Flere oplysninger: Toyo Kazu Yamada et al., Vækst på overfladen af ​​overgangsmetal-koboltnanokluster ved hjælp af en 2D krone-ether-array, Journal of Materials Chemistry C (2023). DOI:10.1039/D3TC03339B

Leveret af Chiba University