Een unieke nanocluster van koperatomen gemaakt door KAUST-onderzoekers zou kunnen dienen als een routekaart om het ontwerp van nieuwe katalysatoren en beeldvormende middelen te begeleiden.

Een nanocluster is een soort nanodeeltje waarin onderzoekers de precieze rangschikking van elk atoom hebben vastgesteld, samen met hun bindingslengtes en bindingshoeken. Met deze gedetailleerde informatie kunnen onderzoekers de eigenschappen van gerelateerde clusters voorspellen, op basis van hun samenstelling en structuur. "Het biedt een praktisch model voor het begrijpen van de intrinsieke correlaties tussen structuur en fysisch-chemische eigenschappen door een combinatie van experimenten en theoretische berekeningen, " zegt Ren-Wu Huang van het KAUST Catalysis Center, onderdeel van het team achter de nieuwe ontdekking.

Nanoclusters zijn meestal 1-3 nanometer breed en georganiseerd in een kern en een schaal. De atomaire structuur van de kern kan de structuur van de nanocluster bepalen, grootte en optische eigenschappen, terwijl de schaal zijn stabiliteit beïnvloedt, oplosbaarheid en katalytische activiteit.

Nanoclusters die koper bevatten, zilver en goud hebben potentiële toepassingen als katalysatoren, of als niet-toxische luminescente beeldvormende middelen in levende cellen. Hoewel zilveren en gouden nanoclusters goed zijn bestudeerd, koperen nanoclusters zijn nogal verwaarloosd, deels omdat het metaal de neiging heeft te reageren met zuurstof in de lucht.

Het KAUST-team heeft nu de grootste op koper gebaseerde nanocluster tot nu toe gecreëerd, en ze bestuderen het met een scala aan technieken, waaronder röntgenkristallografie en elektrospray-ionisatiemassaspectrometrie. Elke 2,8 nanometer brede cluster bevat 81 koperatomen, 46 benzeenthiolmoleculen, 10tert-butylamine-moleculen en 32 hydride-ionen.

Nanoclusters hebben over het algemeen veelvlakkige kernen omgeven door symmetrische schillen. Maar de nieuwe koperen nanocluster heeft een platte kern van 17 koperatomen, gerangschikt in een herhalend patroon van driehoeken. "Dit soort vlakke kern is nog nooit waargenomen in eerder gerapporteerde metalen nanoclusters, " zegt Osman M. Bakr, die het team leidde.

De nanocluster heeft ook een hoogst ongebruikelijk halfbolvormig omhulsel van 1,5 nanometer hoog en bedekt met benzeenthiolmoleculen. Verschillen tussen de gebogen en platte oppervlakken van de halve bol suggereren dat het platte vlak een hogere reactiviteit heeft. In aanvulling, computationele berekeningen leverden bewijs dat de rangschikking van deze moleculen zou kunnen helpen om de overdracht van elektrische lading tussen verschillende clusters in een kristal te vergemakkelijken, die in toekomstige toepassingen van cruciaal belang kunnen zijn.

"De ontwikkeling van koperen nanoclusters staat nog in de kinderschoenen, " zegt Huang. "Daarom, de volgende fase van ons onderzoek zal de synthese zijn van koperen nanoclusters met een grotere omvang en nieuwe structuur, en het verkennen van hun potentiële toepassingen op het gebied van katalyse."