Mede dankzij hun uitgesproken elektronische, optische en chemische eigenschappen, nanomaterialen worden gebruikt in een reeks uiteenlopende toepassingen, van chemische productie tot medicijnen en lichtgevende apparaten. Maar bij het introduceren van een ander metaal in hun structuur, ook wel bekend als "doping, "Onderzoekers zijn er niet zeker van welke positie het metaal zal innemen en hoe het de algehele stabiliteit van de nanocluster zal beïnvloeden, waardoor experimentele tijd en kosten toenemen.

Echter, onderzoekers van de Swanson School of Engineering van de Universiteit van Pittsburgh hebben een nieuwe theorie ontwikkeld om beter te voorspellen hoe nanoclusters zich zullen gedragen wanneer een bepaald metaal in hun structuur wordt geïntroduceerd. De studie, "Thermodynamic Stability of Ligand-Protected Metal Nanoclusters" (DOI:10.1021/acs.jpclett.8b02679) stond op de cover van de ACS Journal of Physical Chemistry Letters . Co-auteurs zijn Giannis Mpourmpakis, de Bicentennial Alumni Faculty Fellow en universitair docent chemische en petroleumtechnologie aan de Swanson School, en Ph.D. kandidaat en NSF Graduate Fellow Michael Taylor. Hun bevindingen sluiten aan bij eerder onderzoek gericht op het ontwerpen van nanodeeltjes voor katalytische toepassingen.

"Engineering van de grootte, vorm en samenstelling van nanoclusters is een manier om hun inherente eigenschappen te beheersen", zei Dr. Mpourmpakis. "In het bijzonder, Ligand-beschermde Au (goud) nanoclusters zijn een klasse van nanomaterialen waar de precieze controle van hun grootte is bereikt. Ons onderzoek had tot doel beter te voorspellen hoe hun bimetalen tegenhangers worden gevormd, wat ons in staat zou stellen om hun structuur gemakkelijker te voorspellen zonder al te veel experimenteren met vallen en opstaan ​​in het laboratorium."

Het onderzoek, voltooid in het Computer-Aided Nano and Energy Lab (C.A.N.E.LA.) van Dr. Mpourmpakis, stelde hen in staat om de exacte doteringslocaties en -concentraties in ligand-beschermde Au-nanoclusters computationeel te voorspellen. Ze ontdekten ook dat hun recent ontwikkelde theorie, die de exacte afmetingen van experimenteel gesynthetiseerde Au-nanoclusters verklaarde, was ook van toepassing op bimetalen nanoclusters, die een nog grotere veelzijdigheid hebben.

"Deze computationele theorie kan nu worden gebruikt om de ontdekking van nanomaterialen te versnellen en experimentele inspanningen beter te begeleiden, "Zei Dr. Mpourmpakis. "Bovendien, door deze theorie te testen op bimetalen nanoclusters hebben we het potentieel om materialen te ontwikkelen die op maat gemaakte eigenschappen vertonen. Dit kan een enorme impact hebben op nanotechnologie."