Koperen nanomaterialen met een kubusvorm die zo perfect is dat ze netjes uitgelijnde stapels vormen wanneer ze bij elkaar worden gebracht, zijn gemaakt door onderzoekers van KAUST. De kubusvormige koperen nanoclusters, ontwikkeld door rationeel ontwerp, zijn een nieuw lid van een exotische nanomateriaalfamilie die veel veelbelovende eigenschappen heeft laten zien, maar zeer moeilijk te maken is gebleven.

"Koperen nanomaterialen zijn een klasse van materialen die nuttige eigenschappen vertonen op het gebied van fotoluminescentie en katalyse, " zegt Ren-Wu Huang, een postdoc in het laboratorium van Osman Bakr, die het onderzoek leidde. Er is grote belangstelling voor het synthetiseren van nieuwe koperen nanomaterialen om te begrijpen hoe hun structuur hun functie beïnvloedt.

Koperen nanoclusters, die een atomair nauwkeurige structuur hebben, behoren tot de weinige koperen nanomaterialen die dergelijke inzichten op atomair niveau kunnen bieden, omdat hun totale structuur kan worden bepaald door middel van monokristallijne röntgendiffractie. "Echter, de synthese van kopernanoclusters is nog steeds een grote uitdaging en het ontwikkelingstempo is traag in vergelijking met nanoclusters gemaakt van zijn zustermetalen, zilver en goud, ’ voegt Huang toe.

In hun laatste werk, het team wilde een waterstofrijk polyhydrido koper nanocluster (PCN) maken. "Om de kubusvormige nanoclusters te creëren, we hebben trifenylfosfine (Ph3P) toegevoegd aan ons synthesereactiesysteem, ", zegt Bakr. Gebaseerd op eerder gesynthetiseerde PCN-structuren, het team voorspelde dat trifenylfosfine, met zijn stijve conische structuur, zou helpen om een ​​nieuwe nanocluster met een kubusvorm te creëren.

De donkeroranje blokachtige kristallen die het team uit het reactiemengsel isoleerde, bleken een nieuwe PCN-structuur te zijn met de voorspelde kubusvorm. Eenkristal röntgendiffractie toonde aan dat het hart van elke nanocluster 23 koperatomen bevatte. Rondom deze kern waren acht trifenylfosfinegroepen, vormen de acht hoeken van de kubus.

Opvallend, elk donkeroranje kristal bestond uit meerdere kubusvormige nanoclusters, netjes op elkaar gestapeld in perfect uitgelijnde rijen en kolommen. "We ontdekten dat de subtiele synergie tussen de kubusvorm en de intercluster niet-covalente bindingsinteracties, zoals waterstofbruggen en van der Waals-interacties, is de belangrijkste drijvende kracht achter de unieke eenvoudige kubische zelfassemblage van nanoclusters, ' zegt Huang.

Ondanks de laatste ontdekkingen van het team, onderzoek naar kopernanoclusters staat nog in de kinderschoenen. "Cruciale vragen over het groeimechanisme, structuurevolutie en structuur-eigenschap relaties van clusters moeten nog worden aangepakt, " zegt Bakr. "We willen licht werpen op die problemen en verder gaan met het benutten van het potentieel van de clusters voor belangrijke katalytische reacties."