Miniaturisering is het parool van vooruitgang. nanowetenschap, het bestuderen van structuren op de schaal van een paar atomen, loopt al geruime tijd voorop in de chemie. Onlangs, onderzoekers van de Universiteit van Tokyo ontwikkelden de nieuwe strategie om sub-nano-metaalaggregaten te construeren, het opbouwen van kleine metalen clusters tot grotere 3D-architecturen. Hun creaties kunnen echte industriële waarde hebben.

Nanochemie biedt een reeks klassieke ontwerpvormen, zoals kubussen, staven, draden en zelfs "nanoflakes, " allemaal opgebouwd uit atoomclusters. Het team van Uni Tokyo's Institute of Industrial Science (IIS) bouwt nanosheets van het edelmetaal palladium (Pd). In een nieuwe studie, ze hebben deze 2D-bouwstenen geregen tot een onderscheidend 3D-ontwerp.

Een slimme manier om nanosheets te maken, is het gebruik van sjablonen:organische moleculen die fungeren als een raamwerk voor de metaalatomen. Verder gaan dan puur organische sjablonen, het IIS-team gebruikte een organosilicium, een molecuul op basis van drie siliciumatomen, om een ​​gebogen of "vlindervormige" plaat van vier Pd-atomen te construeren. Deze metalen werden gestabiliseerd door binding met benzeenringen die aan de siliconen bungelden.

"Kijkend naar de structuur van de Pd ₄ molecuul, we zagen het potentieel om meerdere van dit soort bladen aan elkaar te koppelen via chemische linkers, " zegt Kento Shimamoto, co-auteur van de studie in Chemie — een Europees tijdschrift . "Gezien het juiste sjabloon, wij redeneerden, we zouden de dimensionaliteit van ons cluster kunnen uitbreiden van een 2D-vel naar de derde dimensie."

Stabiele nanoclusters bouwen, zelfs in 2D, is niet gemakkelijk vanwege het ontbreken van de juiste sjabloonmoleculen die de metaalsoort dicht bij elkaar duwen. Echter, metalen centra kunnen stabiel aan elkaar worden gekoppeld met behoud van een comfortabele afstand door het gebruik van overbruggende atomen zoals chloor. De resulterende clusters hebben vaak unieke chemische eigenschappen als gevolg van metaal-metaal-interacties.

Het team koos daarom voor een nieuwe organosiliciumsjabloon met twee chlooratomen die een deel van het organische gebied vervangen. Het reageren van de palladiumbron met deze nieuwe sjabloon leverde geen 2D-vel op, maar een 3D-cluster met zes Pd-atomen. De metalen vormden blijkbaar een paar Pd ₄ tetraëders (die twee atomen delen), overbrugd door chloor, waardoor de Pd-atomen dicht genoeg bij elkaar kwamen om zich met elkaar te verbinden.

"3-D sub-nanoclusters hebben echt potentieel als katalysatoren en functionele materialen, " zegt hoofdauteur Yusuke Sunada. "Maar hun functie hangt sterk af van nauwkeurige controle van hun vorm. Organosiliconen zijn gemakkelijk verkrijgbaar, en een platform bieden voor het ontwerpen van diverse architecturen, het koppelen van meerdere clusters tot grotere moleculen op een industrieel haalbare manier."