Werken aan de grens van nanodeeltjesonderzoek

Een veld dat iets heel kleins bestudeert, wordt erg groot: in het afgelopen decennium is het veld van nanodeeltjesonderzoek explosief gegroeid. Met een grootte van ongeveer een nanometer zijn nanodeeltjes 100.000 keer kleiner dan de breedte van een haar van menselijk haar en kunnen ze niet met het blote oog worden gezien, maar onderzoekers ontdekken dat ze breed worden gebruikt op gebieden variërend van bio-imaging tot energie en het milieu.

Als je op deze schaal werkt, is het moeilijk om precies te zijn; het Computer-Aided Nano and Energy Lab (CANELa) van de Swanson School of Engineering van de University of Pittsburgh is echter bezig het veld te verbeteren door metalen nanoclusters te modelleren die atomair nauwkeurig zijn qua structuur. Een artikel over hun werk en hun invloed op het gebied van nanodeeltjes staat op de cover van het laatste nummer van Dalton-transacties.

“Een groot voordeel van deze zeer kleine systemen is dat we, door hun exacte structuur te kennen, een zeer nauwkeurige theorie kunnen toepassen”, zegt Giannis “Yanni” Mpourmpakis, Bicentennial Alumni Faculty Fellow en universitair hoofddocent chemische technologie, die de CANELa leidt. ‘Met theorie kunnen we dan onderzoeken hoe eigenschappen van nanoclusters afhangen van hun structuur.’

Ligand-beschermde metalen nanoclusters zijn een unieke klasse van nanomaterialen die soms worden aangeduid als “magische grootte” nanoclusters vanwege hun hoge stabiliteit wanneer ze specifieke composities hebben. Een van de belangrijkste vorderingen die hun laboratorium in het veld heeft gemaakt, met financiering van de National Science Foundation, is het modelleren van het specifieke aantal goudatomen dat door een specifiek aantal liganden op het oppervlak is gestabiliseerd.

“Met grotere nanodeeltjes hebben onderzoekers misschien een schatting van het aantal atomen op elke structuur, maar onze modellering van deze nanoclusters is exact. We kunnen de precieze moleculaire formule opschrijven”, legt Michael Cowan, afgestudeerd student aan de CANELa en hoofdauteur uit. op het artikel. “Als u de exacte structuur van kleine systemen kent, kunt u ze op maat maken om actieve sites voor katalyse te creëren, en dat is waar ons lab zich het meest op richt.”

Het voorspellen van nieuwe legeringen en voorheen onontdekte magische maten is de volgende stap die het veld – en het lab – moeten aanpakken. Het lab gebruikt computationele chemiemethoden om bekende nanoclusters te modelleren, maar het creëren van een complete database van nanoclusterstructuur, eigenschappen en synthese-parameters zal de volgende stap zijn om machine learning toe te passen en een voorspellingskader te creëren.

Het Frontier-artikel, getiteld “Toward elucidating structure of ligand-protected nanoclusters”, werd gepubliceerd in het tijdschrift. Dalton-transacties door de Royal Society of Chemistry en is geschreven door Cowan en Mpourmpakis.