De ontwikkeling van functionele nanomaterialen is een belangrijke mijlpaal in de geschiedenis van de materiaalwetenschap. Nanodeeltjes met een diameter van 5 tot 500 nm hebben ongekende eigenschappen, zoals een hoge katalytische activiteit, vergeleken met hun tegenhangers in bulkmateriaal. Bovendien, als deeltjes kleiner worden, exotische kwantumverschijnselen worden prominenter. Dit heeft wetenschappers in staat gesteld materialen en apparaten te produceren met eigenschappen waarvan alleen werd gedroomd, vooral op het gebied van elektronica, katalyse, en optica.

Maar wat als we kleiner worden? Sub-nanodeeltjes (SNP's) met deeltjesgroottes van ongeveer 1 nm worden nu beschouwd als een nieuwe klasse van materialen met verschillende eigenschappen vanwege het overwicht van kwantumeffecten. Het onbenutte potentieel van SNP's trok de aandacht van wetenschappers van Tokyo Tech, die momenteel de uitdagingen aangaan die zich voordoen op dit grotendeels onontgonnen gebied. In een recente studie gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society , een team van wetenschappers van het Laboratorium voor Chemie en Levenswetenschappen, geleid door Dr. Takamasa Tsukamoto, toonde een nieuwe moleculaire screeningaanpak aan om veelbelovende SNP's te vinden.

Zoals men zou verwachten, de synthese van SNP's wordt geplaagd door technische problemen, nog meer voor degenen die meerdere elementen bevatten. Dr. Tsukamoto legt uit:"Zelfs SNP's die slechts twee verschillende elementen bevatten, zijn nauwelijks onderzocht, omdat het produceren van een systeem van subnanometerschaal een nauwkeurige controle van de samenstellingsverhouding en deeltjesgrootte met atomaire precisie vereist." Echter, dit team van wetenschappers had al een nieuwe methode ontwikkeld waarmee SNP's gemaakt konden worden van verschillende metaalzouten met extreme controle over het totale aantal atomen en het aandeel van elk element.

Hun aanpak is gebaseerd op dendrimeren (zie figuur 1), een soort symmetrisch molecuul dat zich radiaal naar buiten vertakt, zoals bomen die een gemeenschappelijk centrum vormen. Dendrimeren dienen als sjabloon waarop metaalzouten nauwkeurig kunnen worden geaccumuleerd aan de basis van de gewenste takken. Vervolgens, door chemische reductie en oxidatie, SNP's worden nauwkeurig gesynthetiseerd op de dendrimeersteiger. De wetenschappers gebruikten deze methode in hun meest recente onderzoek om SNP's te produceren met verschillende hoeveelheden indium- en tinoxiden en onderzochten vervolgens hun fysisch-chemische eigenschappen.

Een merkwaardige bevinding was dat ongebruikelijke elektronische toestanden en zuurstofgehalte optraden bij een indium-tot-tin-verhouding van 3:4 (zie figuur 2). Deze resultaten waren ongekend, zelfs in studies van nanodeeltjes met gecontroleerde grootte en samenstelling, en de wetenschappers schreven ze toe aan fysieke verschijnselen die exclusief zijn voor de sub-nanometerschaal. Bovendien, ze ontdekten dat de optische eigenschappen van SNP's met deze elementaire verhouding niet alleen verschilden van die van SNP's met andere verhoudingen, maar ook van nanodeeltjes met dezelfde verhouding. Zoals weergegeven in figuur 3, de SNP's met deze verhouding waren geel in plaats van wit en vertoonden groene fotoluminescentie onder ultraviolette bestraling.

Het onderzoeken van materiaaleigenschappen op sub-nanometerschaal zal hoogstwaarschijnlijk leiden tot hun praktische toepassing in elektronica en katalysatoren van de volgende generatie. Deze studie, echter, is nog maar het begin op het gebied van sub-nanometer materialen, zoals Dr. Tsukamoto concludeert:"Onze studie markeert de allereerste ontdekking van unieke functies in SNP's en hun onderliggende principes door middel van een sequentiële screening. We geloven dat onze bevindingen zullen dienen als de eerste stap naar de ontwikkeling van nog onbekende kwantum materialen op maat." De sub-nanometrische wereld wacht!