Klein maar krachtig: demonstratie van nauwkeurige nanoclustervorming met moleculaire vallen

Nanoclusters (NC’s) zijn kristallijne materialen die doorgaans op nanometerschaal voorkomen. Ze zijn samengesteld uit atomen of moleculen in combinatie met metalen zoals kobalt, nikkel, ijzer en platina, en hebben verschillende interessante toepassingen gevonden op uiteenlopende terreinen, waaronder de toediening van medicijnen, katalyse en waterzuivering.

Een verkleining van de omvang van NC’s kan extra potentieel ontsluiten, waardoor processen zoals katalyse van één atoom mogelijk worden. In deze context is de coördinatie van organische moleculen met individuele transitiemetaalatomen veelbelovend voor verdere vooruitgang op dit gebied.

Een innovatieve aanpak om de omvang van NC’s verder te verkleinen, omvat het introduceren van metaalatomen in zelf-geassembleerde monolaagfilms op vlakke oppervlakken. Het is echter van cruciaal belang om voorzichtig te zijn en ervoor te zorgen dat de rangschikking van metaalatomen op deze oppervlakken de geordende aard van deze monolaagfilms niet verstoort.

Nu, in een recente studie te zien in de Tijdschrift voor materiaalchemie CDr. Toyo Kazu Yamada van de Graduate School of Engineering aan de Chiba University, samen met Masaki Horie van de Department of Chemical Engineering aan de National Tsing Hua University, Satoshi Kera van het Institute for Molecular Science, en Peter Krüger ook van de Graduate School of Engineering aan de Chiba Universiteit heeft de oppervlaktegroei van kobaltatomen op moleculaire ringarrays bij kamertemperatuur gedemonstreerd.

Dr. Yamada zegt over deze vooruitgang: “Deze geavanceerde methode voor functionele nanoclustervorming met precisie op atomaire schaal kan worden gebruikt bij de ontwikkeling van zeer efficiënte katalysatoren of bij kwantumcomputers.”

In de studie gebruikte het team ringvormige moleculaire structuren genaamd ‘kroonethers’, die benzeen- en broomringen bevatten. Deze structuren werden gebruikt om kobalt-NC’s op vlakke koperoppervlakken op te vangen en te laten groeien. De resulterende kobalt-NC’s hadden twee afmetingen, 1,5 nm en 3,6 nm. Om hun eigenschappen en structuur verder te begrijpen, werden verschillende technieken gebruikt, waaronder lage-temperatuur scanning-tunnelingmicroscopie en spectroscopie (STM en STS), hoekopgeloste foto-elektronenspectroscopie (ARPES) met lage-energie-elektronendiffractie (LEED) en dichtheidsfunctionaaltheorie. DFT) berekeningen.

De analyse onthulde de vorming van stabiele oppervlakteplaatsen waaraan de kobaltatomen zich konden hechten. Bovendien bleek de vorming van deze stabiele oppervlakteplaatsen te worden beïnvloed door de elektronische hybridisatie (menging) tussen de kroonethers en kobalt. Toen het kobaltatoom eenmaal vastzat, fungeerde het als een kernvormingscentrum, waarbij het andere kobaltatomen aantrok om een ​​NC te vormen. Bovendien hielden deze moleculen, in tegenstelling tot het gebruikelijke gedrag van kroonethermoleculen in oplossing, het metaalatoom in het midden van de kroonring niet vast. In plaats daarvan bevond het metaalatoom zich aan de rand, vanwege de aanwezigheid van broomatomen op die locatie.

Terwijl hij het langetermijnpotentieel van deze bevindingen bespreekt, zegt Dr. Yamada: “Het gebruik van deze aanpak in toepassingen zoals katalyse van één atoom, miniaturisatie van spintronische media en kwantumcomputers zal bijdragen aan de ontwikkeling van een op informatie gebaseerde samenleving in een manier die kooldioxide (CO₂) productie.”

Samenvattend heeft het team met succes de groei van kobalt-NC’s aangetoond door gebruik te maken van het vangpotentieel van tweedimensionale kroonethermoleculen op een koperoppervlak. Het chemische gedrag van de kroonethermoleculen week af van de typische interacties die in oplossing worden waargenomen, door kobaltatomen aan de rand op te sluiten, en niet in het midden. Belangrijk is dat de methode een effectieve en grootschalige productie van NC’s met een goed gedefinieerde grootte en morfologie bij kamertemperatuur aantoonde.