Elektronenmicroscopiebeeld (achtergrond) van een geordend kristal bestaande uit 25-atoom gouden clusters. De gegevens kunnen worden geïnterpreteerd door een model van dicht opeengepakte polymeerketens van de clusters (lichte bollen). Een close-up visualisatie van twee van dergelijke clusters, verbonden door een gouden ligandketting, wordt vooraan getoond. Grafisch: Sami Malola, Universiteit van Jyväskylä. Krediet: Universiteit van Jyvaskyla/Sami Malola
Eerste inzichten in technische kristalgroei door atomair precieze metalen nanoclusters zijn bereikt in een onderzoek uitgevoerd door onderzoekers in Singapore, Saoedi-Arabië en Finland. Het werk is gepubliceerd in Natuurchemie.
Gewone vaste stof bestaat uit atomen georganiseerd in een kristalrooster. Het chemische karakter van de atomen en de roostersymmetrie bepalen de eigenschappen van de materie, bijvoorbeeld of het een metaal, een halfgeleider of een elektrische isolator is. De roostersymmetrie kan worden veranderd door omgevingscondities zoals temperatuur of hoge druk, die structurele overgangen kunnen veroorzaken en zelfs een elektrische isolator kunnen transformeren in een elektrische geleider, dat wil zeggen een metaal.
Grotere identieke entiteiten zoals nanodeeltjes of atomair precieze metalen nanoclusters kunnen zich ook organiseren in een kristalrooster, om zogenaamde metamaterialen te vormen. Informatie over hoe de groei van dergelijke materialen uit hun bouwstenen kan worden gemanipuleerd, is echter schaars, aangezien de kristalgroei een typisch zelfassemblageproces is.
Nu zijn de eerste inzichten verkregen in technische kristalgroei door atomair precieze metalen nanoclusters in een onderzoek uitgevoerd door onderzoekers in Singapore, Saoedi-Arabië en Finland. Ze synthetiseerden metaalclusters bestaande uit slechts 25 goudatomen met een diameter van één nanometer. Deze clusters zijn oplosbaar in water dankzij de ligandmoleculen die het goud beschermen. Van dit clustermateriaal is bekend dat het zichzelf assembleert tot goed gedefinieerde dicht opeengepakte eenkristallen wanneer het wateroplosmiddel wordt verdampt.
De onderzoekers vonden echter een nieuw concept om de kristalgroei te reguleren door tetra-alkyl-ammonium moleculaire ionen toe te voegen aan het oplosmiddel. Deze ionen beïnvloeden de oppervlaktechemie van de goudclusters en hun grootte en concentratie bleken een impact te hebben op de grootte, vorm en morfologie van de gevormde kristallen. Opmerkelijk is dat hoge-resolutie-elektronenmicroscopiebeelden van sommige van de kristallen onthulden dat ze bestaan uit polymere ketens van clusters met vier-gouden-atoom-interdeeltjesverbindingen.
De gedemonstreerde oppervlaktechemie opent nu nieuwe manieren om op metalen clusters gebaseerde metamaterialen te ontwikkelen voor onderzoek naar hun elektronische en optische eigenschappen.
De clustermaterialen werden gesynthetiseerd in de National University of Singapore, de elektronenmicroscopie-beeldvorming werd gedaan aan de King Abdullah University of Science and Technology in Saud-Arabië en de theoretische modellering werd gedaan aan de University of Jyvaskyla, Finland.
Meer informatie:
Qiaofeng Yao et al, Supercrystal engineering van atomair nauwkeurige gouden nanodeeltjes bevorderd door oppervlaktedynamica, Natuurchemie (2022). DOI: 10.1038/s41557-022-01079-9
Journaal informatie:
Natuurchemie
Geleverd door de Universiteit van Jyväskylä
