Kleiner dan ooit – onderzoek naar de ongebruikelijke eigenschappen van materialen van kwantumformaat

De ontwikkeling van functionele nanomaterialen is een belangrijke mijlpaal in de geschiedenis van de materiaalkunde. Nanodeeltjes met diameters van 5 tot 500 nm hebben ongekende eigenschappen, zoals een hoge katalytische activiteit, vergeleken met hun tegenhangers in bulkmateriaal. Bovendien, naarmate deeltjes kleiner worden, worden exotische kwantumverschijnselen prominenter. Dit heeft wetenschappers in staat gesteld materialen en apparaten te produceren met eigenschappen waarvan alleen maar gedroomd was, vooral op het gebied van elektronica, katalyse en optica.

Maar wat als we kleiner worden? Sub-nanodeeltjes (SNP’s) met een deeltjesgrootte van ongeveer 1 nm worden nu beschouwd als een nieuwe klasse van materialen met verschillende eigenschappen vanwege de overheersing van kwantumeffecten. Het onbenutte potentieel van SNP’s trok de aandacht van wetenschappers van Tokyo Tech, die momenteel de uitdagingen aangaan die zich voordoen in dit grotendeels onontgonnen gebied. In een recente studie gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society, demonstreerde een team van wetenschappers van het Laboratorium voor Chemie en Levenswetenschappen, geleid door Dr. Takamasa Tsukamoto, een nieuwe moleculaire screeningbenadering om veelbelovende SNP’s te vinden.

Zoals je zou verwachten, wordt de synthese van SNP’s geplaagd door technische problemen, vooral die met meerdere elementen. Dr. Tsukamoto legt uit: “Zelfs SNP’s die slechts twee verschillende elementen bevatten, zijn nauwelijks onderzocht, omdat het produceren van een systeem van subnanometerschaal een nauwkeurige controle van de samenstellingsverhouding en deeltjesgrootte met atomaire precisie vereist.” Dit team van wetenschappers had echter al een nieuwe methode ontwikkeld waarmee SNP’s konden worden gemaakt van verschillende metaalzouten met extreme controle over het totale aantal atomen en het aandeel van elk element.

Hun benadering is gebaseerd op dendrimeren (zie figuur 1), een soort symmetrische molecule die zich radiaal naar buiten vertakt zoals ontkiemende bomen een gemeenschappelijk centrum vormen. Dendrimeren dienen als sjabloon waarop metaalzouten nauwkeurig kunnen worden verzameld aan de basis van de gewenste takken. Vervolgens worden door chemische reductie en oxidatie SNP’s nauwkeurig gesynthetiseerd op de dendrimeersteiger. De wetenschappers gebruikten deze methode in hun meest recente onderzoek om SNP’s te produceren met verschillende verhoudingen van indium- en tinoxiden, en onderzochten vervolgens hun fysisch-chemische eigenschappen.

Een merkwaardige bevinding was dat ongebruikelijke elektronische toestanden en zuurstofgehalte optraden bij een indium-tin-verhouding van 3: 4 (zie figuur 2). Deze resultaten waren zelfs in studies van nanodeeltjes met gecontroleerde grootte en samenstelling ongekend, en de wetenschappers schreven ze toe aan fysische verschijnselen die exclusief zijn voor de subnanometerschaal. Bovendien ontdekten ze dat de optische eigenschappen van SNP’s met deze elementaire verhouding niet alleen verschilden van die van SNP’s met andere verhoudingen, maar ook van nanodeeltjes met dezelfde verhouding. Zoals weergegeven in figuur 3, waren de SNP’s met deze verhouding geel in plaats van wit en vertoonden ze groene fotoluminescentie onder ultraviolette straling.

Onderzoek naar materiaaleigenschappen op subnanometerschaal zal hoogstwaarschijnlijk leiden tot hun praktische toepassing in de volgende generatie elektronica en katalysatoren. Deze studie is echter nog maar het begin op het gebied van subnanometermaterialen, zoals Dr. Tsukamoto concludeert: “Onze studie markeert de allereerste ontdekking van unieke functies in SNP’s en hun onderliggende principes door middel van een sequentiële screening. onze bevindingen zullen dienen als de eerste stap in de richting van de ontwikkeling van nog onbekende materialen van kwantumgrootte. ” De subnanometrische wereld wacht!