Atoom voor atoom: nauwkeurige kleinere nanodeeltjes bouwen met sjablonen

Nanodeeltjes (met een grootte tussen 3 en 500 nm) en sub-nanoclusters (met een diameter van ongeveer 1 nm) worden op veel gebieden gebruikt, waaronder geneeskunde, robotica, materiaalkunde en engineering. Hun kleine formaat en grote oppervlakte-tot-volumeverhoudingen geven ze unieke eigenschappen, waardoor ze waardevol zijn in een verscheidenheid aan toepassingen, variërend van verontreinigingsbeheersing tot chemische synthese.

Onlangs hebben quasi-sub-nanomaterialen, die ongeveer 1-3 nm groot zijn, de aandacht getrokken omdat ze een tweeledig karakter hebben: ze kunnen worden beschouwd als nanodeeltjes, evenals als anorganische moleculen. Het is begrijpelijk dat het van grote waarde kan zijn om het aantal atomen in een quasi-sub-nanomateriaal te beheersen. Het synthetiseren van dergelijke precieze moleculaire structuren is echter technisch een uitdaging, maar wetenschappers van Tokyo Tech waren zeker klaar voor deze uitdaging.

Dendrons – sterk vertakte moleculaire structuren bestaande uit basisimines – zijn voorgesteld als voorlopers voor de precieze synthese van quasi-sub-nanomaterialen met het gewenste aantal atomen. De imines in de dendrons fungeren als een steiger die complexen kan vormen met bepaalde zure metaalzouten, waardoor metalen op de dendronstructuur worden opgehoopt. Deze kunnen op hun beurt worden gereduceerd tot metalen sub-nanoclusters met het gewenste aantal atomen. Het synthetiseren van dendrons met een hoog gehalte aan imines is echter een duur proces met een lage opbrengst.

Nu, in een studie gepubliceerd in Angewandte Chemie, leggen de onderzoekers uit hoe ze meerdere dendrimeerstructuren hebben gecombineerd om een ​​supramoleculaire capsule te vormen die bestaat uit meer dan 60 imines. “De synthese van dendron-geassembleerde supramoleculen werd bereikt door interne kerneenheden en externe dendroneenheden met elkaar te verbinden – die respectievelijk de centrale structuur en terminale takken bepalen”, legt assistent-professor Takamasa Tsukamoto uit, die bij het onderzoek betrokken was. De interne structuur van dit supramolecuul bevatte een zespuntige kern met zuur tritylium, terwijl elke buitenste eenheid dendrons met imines bevatte. De interactie tussen de zure kern en de basale buitenstructuur resulteerde in een zelfassemblerend organocomplex.

Bovendien bleken de iminen samen te accumuleren met rhodiumzouten, zodat de binnenste iminen een complex vormden met trityliumeenheden, terwijl de buitenste werden bevolkt met de rhodiumzouten. Het resulterende supramolecuul, dat een interne kerneenheid had omringd door zes externe dendron-eenheden (elk met 14 rhodiumzouten aan de buitenste imines), werd met succes gecondenseerd tot clusters met 84 rhodiumatomen met een grootte van 1,5 nm.

Door imine-bevattende dendrons aan een zure kern te hechten, construeerden de onderzoekers een supramoleculaire sjabloon voor de synthese van quasi-sub-nanomaterialen. Omdat de iminen bovendien complexen kunnen vormen met een groot aantal kationische eenheden, kan de methode worden gebruikt om een ​​verscheidenheid aan supramoleculaire structuren te synthetiseren. Door zijn veelzijdigheid, eenvoud en kosteneffectiviteit kan de methode een hoeksteen zijn voor de ontwikkeling van nieuwe nanomaterialen. “Deze nieuwe benadering voor het verkrijgen van door atomiciteit gedefinieerde quasi-sub-nanomaterialen zonder de beperkingen van conventionele methoden heeft het potentieel om een ​​belangrijke rol te spelen bij het verkennen van de laatste grenzen van nanomaterialen”, zegt prof. Tsukamoto. Inderdaad, dit is misschien een “kleine” stap voor Tokyo Tech, maar een “gigantische” stap voor nanowetenschap.