Brown University-onderzoekers en medewerkers van de Tsinghua University in China hebben aangetoond dat nanoclusters gemaakt van boor- en lanthanide-elementen zeer stabiele en symmetrische structuren vormen met interessante magnetische eigenschappen.

De bevindingen, gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences op maandag, 9 juli suggereren dat deze nanoclusters nuttig kunnen zijn als moleculaire magneten of geassembleerd tot magnetische nanodraden. Het onderzoek helpt ook licht te werpen op de structuur en chemische binding van boorlanthaniden in bulk, die kunnen helpen bij het ontwerpen van nieuwe boridematerialen.

"Boorlanthaniden zijn een belangrijke klasse van materialen die worden gebruikt in elektronica en andere toepassingen, maar nanoclusters van boorlanthaniden zijn niet onderzocht, " zei Lai Sheng Wang, een professor in de chemie aan Brown en senior auteur van een paper waarin het werk wordt beschreven. "We zijn net begonnen met het onderzoeken van deze nanoclusters, en hier laten we zien dat ze een interessante 'inverse sandwich'-structuur kunnen hebben met de juiste combinatie van boor- en lanthanide-atomen."

De structuur - een ring van gebonden booratomen met een enkel lanthanide-atoom gebonden aan elke kant - ontstond in clusters gemaakt van acht booratomen en twee atomen van ofwel lanthaan of praseodymium (beide leden van de lanthanidegroep op het periodiek systeem). Sandwichstructuren - complexen waarin twee vlakke aromatische koolwaterstofmoleculen een enkel metaalatoom omringen - zijn algemeen bekend in de chemie en hun ontdekking leverde in 1973 een Nobelprijs op. Van inverse sandwichstructuren is bekend dat ze zich vormen in uranium-organische moleculaire complexen, Wang zegt, maar dit is de eerste keer dat de structuur is gezien in boorlanthaniden.

Wang's lab gebruikte een techniek genaamd foto-elektronenspectroscopie om nanoclusters gemaakt van verschillende chemische elementen te bestuderen. De techniek omvat het zappen van atomaire clusters met een krachtige laser. Elke zap klopt een elektron uit het cluster. Door de kinetische energie van die vrijgekomen elektronen te meten, onderzoekers kunnen begrijpen hoe de atomen in een cluster aan elkaar zijn gebonden en de fysieke structuur van het cluster afleiden. Om de structuren te vinden, Wang vergeleek de foto-elektronenspectra met theoretische berekeningen van kwantumchemicus professor Jun Li en zijn studenten uit Tsinghua.

"We ontdekten dat clusters gemaakt van acht boor- en twee lanthanide-atomen zeer symmetrisch zijn, zoals blijkt uit hun eenvoudige spectrale patronen, " zei Wang. "In de scheikunde, wanneer we iets vinden dat zeer symmetrisch is, is het erg spannend."

Die symmetrie ontstaat, Wang zei, door de aard van de chemische bindingen die de structuur bij elkaar houden. De aard van die bindingen maakt de clusters ook zeer magnetisch. Dat zou ze bruikbaar kunnen maken voor toepassingen in nano-elektronica of elders.

Het onderzoek helpt ook om licht te werpen op bulkboriden, zegt Wang.

"Het geeft ons een nieuwe manier om de binding en structuur van boridematerialen te begrijpen, " zei hij. "Door kleine eenheden te bestuderen, we kunnen inzicht krijgen in het bulksysteem, en ik denk dat we hier wat van dat inzicht hebben opgedaan."