Nanoclusters met een koper-waterstofkern leveren nieuwe structuur-activiteitsinzichten op

Koperen nanomaterialen met een kubusvorm die zo perfect is dat ze netjes uitgelijnde stapels vormen wanneer ze bij elkaar worden gebracht, zijn gemaakt door onderzoekers van KAUST. De kubusvormige koperen nanoclusters, ontwikkeld door rationeel ontwerp, zijn een nieuw lid van een exotische nanomaterialenfamilie die veel veelbelovende eigenschappen heeft laten zien, maar nog steeds erg moeilijk te maken is.

“Koperen nanomaterialen zijn een klasse van materialen die nuttige eigenschappen vertonen op het gebied van fotoluminescentie en katalyse”, zegt Ren-Wu Huang, een postdoc in het laboratorium van Osman Bakr, die het onderzoek leidde. Er is grote interesse in het synthetiseren van nieuwe koperen nanomaterialen om te begrijpen hoe hun structuur hun functie beïnvloedt.

Koperen nanoclusters, die een atomair nauwkeurige structuur hebben, behoren tot de weinige koperen nanomaterialen die dergelijke inzichten op atomair niveau kunnen verschaffen, omdat hun totale structuur kan worden bepaald door middel van enkelkristal röntgendiffractie. “De synthese van koperen nanoclusters is echter nog steeds een grote uitdaging en het ontwikkeltempo van ontwikkeling is traag vergeleken met nanoclusters gemaakt van de zustermetalen, zilver en goud,” voegt Huang toe.

In hun laatste werk wilde het team een ​​waterstofrijke polyhydrido-koper nanocluster (PCN) maken. “Om de kubusvormige nanoclusters te maken, hebben we trifenylfosfine (Ph3P) aan ons synthesereactiesysteem toegevoegd”, zegt Bakr. Op basis van eerder gesynthetiseerde PCN-structuren, voorspelde het team dat trifenylfosfine, met zijn stijve conische structuur, zou helpen om een ​​nieuwe nanocluster met een rechthoekige vorm te creëren.

De donkeroranje blokachtige kristallen die het team uit het reactiemengsel isoleerde, bleken een nieuwe PCN-structuur te zijn met de voorspelde kubusvormige vorm. Eenkristal röntgendiffractie toonde aan dat het hart van elke nanocluster 23 koperatomen bevatte. Rondom deze kern bevonden zich acht trifenylfosfinegroepen, die de acht hoeken van de kubus vormden.

Opvallend was dat elk donkeroranje kristal bestond uit meerdere kubusvormige nanoclusters, netjes op elkaar gestapeld in perfect uitgelijnde rijen en kolommen. “We ontdekten dat de subtiele synergie tussen de rechthoekige vorm en de intercluster niet-covalente bindingsinteracties, zoals waterstofbinding en van der Waals-interacties, de belangrijkste drijvende kracht is voor de unieke, eenvoudige kubische zelfassemblage van nanoclusters,” zegt Huang.

Ondanks de laatste ontdekkingen van het team staat het onderzoek naar koper nanocluster nog in de kinderschoenen. “Cruciale vragen over het groeimechanisme, structuurevolutie en structuur-eigenschaprelaties van clusters moeten nog worden beantwoord”, zegt Bakr. “We streven ernaar om licht te werpen op deze kwesties en om verder te gaan met het benutten van het potentieel van de clusters voor belangrijke katalytische reacties.”