Een unieke nanocluster van koperatomen gemaakt door KAUST-onderzoekers zou kunnen dienen als een routekaart om het ontwerp van nieuwe katalysatoren en beeldvormende middelen te begeleiden.
Een nanocluster is een soort nanodeeltjes waarin onderzoekers de precieze rangschikking van elk atoom hebben vastgesteld, samen met hun bindingslengtes en bindingshoeken. Met deze gedetailleerde informatie kunnen onderzoekers de eigenschappen van gerelateerde clusters voorspellen op basis van hun samenstelling en structuren. “Het biedt een praktisch model voor het begrijpen van de intrinsieke correlaties tussen structuur en fysisch-chemische eigenschappen door een combinatie van experimenten en theoretische berekeningen”, zegt Ren-Wu Huang van het KAUST Catalysis Center, onderdeel van het team achter de nieuwe ontdekking.
Nanoclusters zijn typisch 1-3 nanometer breed en georganiseerd in een kern en een schaal. De atomaire structuur van de kern kan de structuur, grootte en optische eigenschappen van de nanocluster bepalen, terwijl de schaal zijn stabiliteit, oplosbaarheid en katalytische activiteit beïnvloedt.
Nanoclusters die koper, zilver en goud bevatten, kunnen mogelijk worden gebruikt als katalysatoren of als niet-toxische lichtgevende beeldvormende middelen in levende cellen. Hoewel zilveren en gouden nanoclusters goed bestudeerd zijn, zijn koperen nanoclusters nogal verwaarloosd, deels omdat het metaal de neiging heeft om te reageren met zuurstof in lucht.
Het KAUST-team heeft nu de grootste op koper gebaseerde nanocluster tot nu toe gemaakt, en ze bestuderen deze met een reeks technieken, waaronder röntgenkristallografie en elektrospray-ionisatie-massaspectrometrie. Elk cluster van 2,8 nanometer breed bevat 81 koperatomen, 46 benzeenethiolmoleculen, 10tert-butylaminemoleculen en 32 hydride-ionen.
Nanoclusters hebben over het algemeen veelvlakkige kernen omgeven door symmetrische schalen. Maar de nieuwe koperen nanocluster heeft een platte kern van 17 koperatomen, gerangschikt in een zich herhalend patroon van driehoeken. “Dit soort vlakke kern is nog nooit waargenomen in eerder gerapporteerde metalen nanoclusters”, zegt Osman M. Bakr, die het team leidde.
De nanocluster heeft ook een hoogst ongebruikelijke halfronde schil die 1,5 nanometer hoog is en bedekt is met benzeenethiolmoleculen. Verschillen tussen de gebogen en platte oppervlakken van het halfrond suggereren dat het platte vlak een hogere reactiviteit heeft. Bovendien leverden computationele berekeningen het bewijs dat de rangschikking van deze moleculen zou kunnen helpen om de overdracht van elektrische lading tussen verschillende clusters binnen een kristal te vergemakkelijken, wat cruciaal zou kunnen zijn in toekomstige toepassingen.
“De ontwikkeling van koperen nanoclusters staat nog in de kinderschoenen”, zegt Huang. “Daarom zal de volgende fase van ons onderzoek de synthese zijn van koperen nanoclusters met een grotere afmeting en nieuwe structuur, en het verkennen van hun mogelijke toepassingen op het gebied van katalyse.”
Ren-Wu Huang et al. [Cu81(PhS)46(tBuNH2)10(H)32]3+ Onthult het naast elkaar bestaan van grote vlakke kernen en halfronde schalen in nanoclusters van koper met een hoge nucleaire werking, Tijdschrift van de American Chemical Society (2020). DOI: 10.1021 / jacs.0c00541
Geleverd door King Abdullah University of Science and Technology