Op weg naar functionele materialen van de volgende generatie: Nanobuiskristal maakt directe observatie van elektronenoverdracht in vaste stoffen mogelijk

Elektronenoverdracht (ET) is een proces waarbij een elektron van het ene atoom of molecuul naar het andere wordt overgedragen. ET is van fundamenteel belang voor elektrochemische reacties met toepassingen op vele gebieden. ET op nanoschaal, waarbij elektronen in het bereik van 1–100 nanometer in vaste stoffen worden overgedragen, is van fundamenteel belang voor het ontwerp van multifunctionele materialen. Dit proces is echter nog niet duidelijk begrepen.

Nanobuisjes, nanomaterialen met unieke cilindrische nanostructuren, bieden een verscheidenheid aan ET-eigenschappen die kunnen worden gerealiseerd door injecties van elektronen en gaten (lege ruimtes achtergelaten door elektronen) in de nanobuisjes, waardoor ze een geschikte kandidaat zijn voor het bestuderen van ET op nanoschaal. Hoewel op koolstof gebaseerde nanobuisjes fascinerende ET-eigenschappen hebben, zijn ze qua vorm en grootte bijzonder moeilijk te controleren vanwege extreme omstandigheden, zoals hoge temperaturen, die nodig zijn voor hun synthese.

Een haalbare aanpak voor het vervaardigen van goed gedefinieerde afstembare nanobuisjes is de bottom-up fabricage van niet-covalente nanobuisjes, die soms resulteren in nanobuisjes in kristallijne vorm. Niet-covalente nanobuisjes worden gevormd door de inherente aantrekkelijke interacties of niet-covalente interacties tussen atomen, in plaats van de sterke covalente interacties die te zien zijn in koolstofnanobuisjes. Ze zijn echter niet sterk genoeg om elektronen- en gateninjecties te doorstaan, die hun niet-covalente interacties kunnen verbreken en hun kristallijne structuur kunnen vernietigen.

In een recent onderzoek gebruikte een team van onderzoekers van de afdeling Toegepaste Scheikunde van de Tokyo University of Science, onder leiding van professor Junpei Yuasa, waaronder dr. Daiji Ogata, de heer Shota Koide en de heer Hiroyuki Kishi, een nieuwe benadering om direct observeer ET in vaste toestand.

Prof. Yuasa legt uit: “We hebben kristallijne nanobuisjes ontwikkeld met een speciale dubbelwandige structuur. Door elektronendonormoleculen in de poriën van deze kristallijne nanobuisjes te incorporeren via een oxidatiereactie in vaste toestand, zijn we erin geslaagd de elektronenoverdrachtsreactie in de nanobuisjes direct waar te nemen. vast met behulp van röntgenkristalstructuuranalyse.”

Hun bevindingen waren gepubliceerd in het journaal Natuurcommunicatie op 23 mei 2024.

De onderzoekers gebruikten een nieuwe supramoleculaire kristallisatiemethode, die op oxidatie gebaseerde kristallisatie omvat, om op zink gebaseerde dubbelwandige kristallijne nanobuisjes te vervaardigen. Deze dubbelwandige structuur met grote ramen in de wanden van de nanobuisjes maakt het kristal robuust en flexibel genoeg om zijn kristallijne toestand te behouden wanneer het wordt onderworpen aan ET-oxidatieprocessen. Bovendien zorgt deze structuur ervoor dat het kristal elektronendonormoleculen kan absorberen.

De onderzoekers gebruikten ferroceen en tetrathiafulvaleen als elektronendonormoleculen, die door de vensters van de nanobuiskristallen werden geabsorbeerd. Hierdoor kunnen elektronen uit de geabsorbeerde elektronendonoren worden verwijderd via ET-oxidatiereacties in vaste toestand, wat resulteert in de ophoping van gaten in de donoren in de nanobuis. Vanwege de robuustheid van de kristallen konden de onderzoekers dit ET-oxidatieproces rechtstreeks observeren met behulp van röntgenkristalstructuuranalyse, waardoor belangrijke inzichten aan het licht kwamen.

Deze nieuwe aanpak is zeer waardevol voor directe observatie van ET in vaste nanomaterialen. Prof. Yuasa benadrukt de mogelijke toepassingen van deze studie en zegt: “Het begrijpen van ET kan leiden tot de ontwikkeling van nieuwe functionele materialen, die op hun beurt kunnen leiden tot het ontwerp van efficiëntere halfgeleiders, transistors en andere elektronische apparaten.

“Opto-elektronische apparaten, zoals zonnecellen, zijn sterk afhankelijk van ET. Daarom kan directe observatie van ET de prestaties van deze apparaten helpen verbeteren. Bovendien kan deze aanpak leiden tot vooruitgang op het gebied van energieopslag, nanotechnologie en materiaalwetenschappelijk onderzoek.”

Over het geheel genomen is deze studie een treffend voorbeeld van directe observatie van ET in vaste toestand, die kan worden uitgebreid om ET en aanverwante verschijnselen in andere nanomaterialen te observeren.