Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) hebben een nieuwe methodologie ontwikkeld waarmee onderzoekers de chemische samenstelling en structuur van metaaldeeltjes met een diameter van slechts 0,5 tot 2 nm kunnen beoordelen. Deze doorbraak in analytische technieken zal de ontwikkeling en toepassing van minuscule materialen op het gebied van elektronica, biologie, scheikunde, en meer.

De studie en ontwikkeling van nieuwe materialen hebben talloze technologische doorbraken mogelijk gemaakt en zijn essentieel in de meeste wetenschapsgebieden, van geneeskunde en bio-engineering tot geavanceerde elektronica. Het rationele ontwerp en de analyse van innovatieve materialen op nanoscopische schaal stelt ons in staat om de grenzen van eerdere apparaten en methodologieën te verleggen om ongekende efficiëntieniveaus en nieuwe mogelijkheden te bereiken. Dat is het geval voor metalen nanodeeltjes, die momenteel in de schijnwerpers staan ​​​​van modern onderzoek vanwege hun talloze potentiële toepassingen. Met een recent ontwikkelde synthesemethode die dendrimeermoleculen als sjabloon gebruikt, kunnen onderzoekers metalen nanokristallen maken met een diameter van 0,5 tot 2 nm (miljardste van een meter). Deze ongelooflijk kleine deeltjes, genaamd "subnano clusters" (SNC's), zeer onderscheidende eigenschappen hebben, zoals uitstekende katalysatoren voor (elektro)chemische reacties en het vertonen van eigenaardige kwantumverschijnselen die erg gevoelig zijn voor veranderingen in het aantal samenstellende atomen van de clusters.

Helaas, de bestaande analytische methoden voor het bestuderen van de structuur van materialen en deeltjes op nanoschaal zijn niet geschikt voor SNC-detectie. Een dergelijke methode, genaamd Raman-spectroscopie, bestaat uit het bestralen van een monster met een laser en het analyseren van de resulterende verstrooide spectra om een ​​moleculaire vingerafdruk of profiel van de mogelijke componenten van het materiaal te verkrijgen. Hoewel traditionele Raman-spectroscopie en zijn varianten van onschatbare waarde zijn geweest voor onderzoekers, ze kunnen nog steeds niet worden gebruikt voor SNC's vanwege hun lage gevoeligheid. Daarom, een onderzoeksteam van Tokyo Tech, waaronder Dr. Akiyoshi Kuzume, Prof. Kimihisa Yamamoto en collega's, bestudeerde een manier om Raman-spectroscopiemetingen te verbeteren en ze competent te maken voor SNC-analyse (Figuur).

Een bepaald type Raman-spectroscopiebenadering wordt oppervlakteversterkte Raman-spectroscopie genoemd. In zijn meer verfijnde variant, gouden en/of zilveren nanodeeltjes ingesloten in een inerte dunne silicaschaal worden aan het monster toegevoegd om optische signalen te versterken en zo de gevoeligheid van de techniek te vergroten. Het onderzoeksteam richtte zich eerst op het theoretisch bepalen van hun optimale grootte en samenstelling, waar 100-nm zilveren optische versterkers (bijna twee keer de grootte die gewoonlijk wordt gebruikt) de signalen van de SNC's die aan de poreuze silicaschaal zijn gehecht aanzienlijk kunnen versterken. "Deze spectroscopische techniek genereert selectief Raman-signalen van stoffen die zich dicht bij het oppervlak van de optische versterkers bevinden, " legt prof. Yamamoto uit. Om deze bevindingen te testen, ze maten de Raman-spectra van tinoxide-SNC's om te zien of ze een verklaring konden vinden in hun structurele of chemische samenstelling voor hun onverklaarbare hoge katalytische activiteit in bepaalde chemische reacties. Door hun Raman-metingen te vergelijken met structurele simulaties en theoretische analyses, vonden ze nieuwe inzichten over de structuur van de tinoxide SNC's, het verklaren van de oorsprong van atomiciteitsafhankelijke specifieke katalytische activiteit van tinoxide-SNC's.

De methodologie die in dit onderzoek wordt gebruikt, zou een grote impact kunnen hebben op de ontwikkeling van betere analytische technieken en wetenschap op subnanoschaal. "Gedetailleerd begrip van de fysische en chemische aard van stoffen vergemakkelijkt het rationele ontwerp van subnanomaterialen voor praktische toepassingen. Zeer gevoelige spectroscopische methoden zullen materiaalinnovatie versnellen en subnanowetenschap promoten als een interdisciplinair onderzoeksgebied, " concludeert prof. Yamamoto. Doorbraken zoals die gepresenteerd door dit onderzoeksteam zullen essentieel zijn voor het verbreden van de reikwijdte voor de toepassing van subnanomaterialen op verschillende gebieden, waaronder biosensoren, elektronica, en katalysatoren.

De studie is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .