Het veranderen van een enkel atoom in een zilveren nanocluster verandert zijn eigenschappen aanzienlijk, het creëren van een spannende kans om deze clusters te ontwerpen.

Het uiterlijk van metalen, zoals hun glanzende oppervlak of hun elektrische geleidbaarheid, wordt bepaald door het ensemble van atomen waaruit het metaal bestaat. De situatie verschilt op moleculaire schaal, en onderzoekers aan de King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Saoedi-Arabië, hebben aangetoond dat het vervangen van een enkel atoom in een cluster van 25 zilveratomen door één goudatoom de eigenschappen ervan fundamenteel verandert.

Metaalatoom nanoclusters zijn gemaakt van een kern van enkele metaalatomen omgeven door een beschermende schil van stabiliserende liganden. Nanoclusters zijn er in verschillende maten, maar elke stabiele variatie van nanoclusters heeft precies hetzelfde aantal metaalatomen. Dit leidt tot zeer beheersbare eigenschappen, merkte Osman Bakr op, KAUST universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek en leider van het onderzoeksteam.

"Nanoclusters hebben unieke arrangementen van atomen en grootte-afhankelijke absorptie, fluorescentie, elektronische en katalytische eigenschappen, " hij zei.

Een populaire metalen nanocluster is [Ag ₂₅ (SR) ₁₈ ]-, die uit 25 zilveratomen bestaat. Deze nanocluster is uniek omdat hij overeenkomt met een gouden nanocluster met precies hetzelfde aantal atomen. Beide clusters hebben verschillende eigenschappen door het verschillende gebruikte metaal. Om te begrijpen hoe de atomaire samenstelling deze eigenschappen precies beïnvloedt, de onderzoekers vervingen een enkel zilveratoom door goud.

Het vervangen van een enkel atoom in een nanocluster is een moeilijke taak. Directe chemische methoden kunnen worden gebruikt, maar deze geven weinig controle over hoeveel atomen worden vervangen, waardoor het moeilijk is om bepaalde eigenschappen aan de nanoclusterstructuur toe te kennen.

In plaats daarvan, de onderzoekers gebruikten een galvanisch vervangingsproces dat afhankelijk is van het verschil in het elektrochemische potentieel tussen de inkomende en uitgaande atomen om atomaire vervangingen te induceren. Tot hun verbazing, het proces produceerde een betrouwbare en nauwkeurige atoomuitwisseling waarbij alleen het middelste zilveratoom wordt vervangen door goud.

De vervanging leverde dramatische veranderingen op in de nanocluster. Een oplossing van de zilveren nanoclusters lijkt oranje, terwijl na de vervanging van het centrale atoom de kleur donkergroen wordt.

Dit duidt op meer fundamentele veranderingen in eigenschappen, zei Bakr. "De omgevingsstabiliteit en fluorescentie van de nanocluster werden met een factor 25 verbeterd als gevolg van deze vervanging van één atoom. Bovendien, we zijn nu in staat om het belang van een enkele atoomonzuiverheid op nanodeeltjes aan te tonen en de eigenschappen op het niveau van een enkel atoom te moduleren, " hij merkte.

De betrouwbare vervanging van slechts een enkel goudatoom opent de deur naar een meer systematisch onderzoek naar metalen nanoclusters, die kunnen helpen bij het blootleggen van de mechanismen van de chemische en fysieke veranderingen die voortvloeien uit de vervanging.