Van effectieve medicijnen tot moleculaire sensoren tot brandstofcellen, metaalclusters worden fundamenteel nuttig in de gezondheid, omgeving, en energiesectoren. Deze diverse functionaliteit van clusters komt voort uit de variabiliteit in grootte en type. Nutsvoorzieningen, wetenschappers onder leiding van professor Yuichi Negishi, van de afdeling Toegepaste Chemie aan de Tokyo University of Science, voeg toe aan dit doorlopende verhaal door de dynamiek van de met thiolaat beschermde goud-zilverlegering in oplossing uit te leggen. Dit helpt bij het begrijpen van de stabiliteit, geometrie, en houdbaarheid van deze clusters voor hun toepassingen.

Metaalclusters worden gevormd wanneer metaalatomen samenkomen om klonten te vormen, ergens tussen de grootte van een molecuul en die van een stortgoed. Onlangs, deze clusters hebben veel aandacht gekregen vanwege hun diverse chemische mogelijkheden die afhankelijk zijn van hun grootte en samenstelling. In tegenstelling tot de gesloten, set, en stabiele pakking waargenomen in bulk metalen roosters, de geometrie van deze clusters, die vaak ook hun chemische reactiviteit regelt, is gebaseerd op speciale atomaire arrangementen die energie minimaliseren. Verder, hun functionaliteiten variëren afhankelijk van het aantal samenstellende atomen in het cluster. Omdat deze factoren op microniveau de uiteindelijke activiteit van de clusters op macroniveau bepalen, het begrijpen van clusterdynamiek op atomaire schaal is essentieel. Recent onderzoek op het gebied van dergelijke metaalclusters heeft het mogelijk gemaakt om deze klonten te catalogiseren als verbindingen met gedefinieerde chemische samenstellingen.

Een van die interessante metalen clusters met katalytische eigenschappen en luminescentie is de met thiolaat beschermde goud-zilverlegering cluster. Deze metaalclusters worden gevormd wanneer met thiolaat beschermde individuele goud- en zilverclusters bij elkaar worden gehouden in een oplossing. De individuele pure clusters ondergaan metaaluitwisseling, als een chemische "ruilhandel":een goud voor een zilveratoom. Hoewel de cluster-metaalcomplexreactie (CMCR) -methode veel wordt gebruikt, de werkelijke dynamiek ervan en de energieprikkel die dergelijke processen aanstuurt, worden niet begrepen. Dit werd het zaad van nieuwsgierigheid voor het team van Prof. Negishi, zoals ze stellen, "Er moet rekening worden gehouden met het dynamische gedrag van deze clusters in oplossing om de oorsprong van de katalytische activiteit en luminescentie-eigenschappen van clusters van goud-zilverlegeringen naast de geometrische structuur te begrijpen."

Om het metaaluitwisselingsgedrag tussen de zuivere clusters na synthese te verlichten, het team bedacht een experiment op basis van omgekeerde-fasechromatografie. Ze concentreerden zich op deze opstelling omdat het moleculen onderscheidt op basis van elektronische kenmerken, d.w.z., of het molecuul polair is (met een gelijktijdig positief en negatief centrum) of niet-polair (zonder scheiding van lading).

Het gebruik van deze opstelling bleek de moeite waard, aangezien het team meldde dat, in feite, de individuele structurele isomeren (verschillende ruimtelijke en geometrische verdeling voor een gegeven cluster) veranderen in oplossing, ook al blijft de massa van het cluster ongewijzigd. Dit gaf aan dat er intra-cluster uitwisseling van metaalatomen was, die de elektronische toestand van het cluster veranderde, hoewel de massa hetzelfde bleef. Ze meldden ook dat na de synthese, met het verstrijken van de tijd, de concentratie van verschillende structurele soorten goud-zilverlegeringen in de oplossing veranderde. Dit gaf aan dat er ook een inter-cluster metaaluitwisseling in het spel was. als laatste, de onderzoekers merkten ook op dat de metaaluitwisseling tussen de clusters veel vaker voorkomt na synthese en uiteindelijk vertraagt ​​na lange tijd vasthouden. Ze schreven dit toe aan het verschil in stabiliteit en energie tussen de verschillende structuren. "De metastabiele geometrieën die aanvankelijk werden gevormd, worden waarschijnlijk omgezet in thermodynamisch stabiele geometrieën door middel van metaaluitwisseling tussen clusters (en intra-cluster) in oplossing, " legt prof. Negishi uit.

De wetenschappers bevestigden hun beweringen over de waargenomen dynamiek van de cluster-metaalcomplexreactie (CMCR) door een vergelijkend onderzoek uit te voeren met de alternatieve syntheseprocedure. Sinds, traditionele procedures (Co-Reduction of Metal Ions) produceren legeringen onder zware omstandigheden, alleen de thermodynamisch en energetisch gunstige structuren zien het daglicht. Dus, overwegend stabiele structuren worden gevormd, wat aangeeft dat metaaluitwisseling relatief onderdrukt is. Dit stond in tegenstelling tot de clusters gevormd door de CMCR waar in eerste instantie handtekeningen voor verschillende soorten worden waargenomen. Als de tijd voorbij gaat, zoals alle dingen in de natuur, de onstabiele soorten proberen zichzelf te herschikken in stabiele soorten. Hoe? Door metaaluitwisseling, natuurlijk!

Samenvatten, Prof. Negishi stelt, "Deze resultaten tonen aan dat clusters van goud-zilverlegeringen onmiddellijk na synthese verschillende geometrische structuren (en distributies) hebben, afhankelijk van de synthesemethode. Daarbij, hun dynamisch gedrag in oplossing hangt ook af van de synthesemethode."

De studie van clusters met verschillende kerngroottes en samenstellingen is opwindend omdat het opwindende mogelijkheden biedt om nieuwe fysische en chemische eigenschappen te benutten. Maar dat is niet alles:het geeft ook inzicht in hun structuur-eigenschap relaties, bijna alsof je in het 'sociale leven' van atomen gluurt.