Coördinatie-nanobladen zijn een nieuwe en opkomende klasse van tweedimensionale materialen, die snel aan belang winnen op het gebied van nanomaterialen. Ze bestaan ​​uit metaalionen en organische ligandmoleculen, die via coördinatiebindingen aan elkaar zijn gekoppeld om één raamwerk te vormen. Deze nanosheets fungeren als bouwstenen, die kunnen worden gemengd en aangepast om een ​​grote verscheidenheid aan vlakke structuren te produceren, met mogelijke toepassingen in elektronische apparaten, batterijen en katalytische systemen.

In 2013 werd benzeenhexathiolato (BHT) ontdekt als een krachtig organisch ligand in coördinatie-nanobladen. Er werd waargenomen dat bij het veranderen van het element dat in de metaalcentra wordt gebruikt, het mogelijk is om op BHT gebaseerde nanosheets te maken met enorm verschillende structurele eigenschappen.

De synthese van op BHT gebaseerde coördinatie-nanobladen via op oplossingen gebaseerde processen is echter een uitdaging gebleken, wat nogal ongelukkig is vanwege de economische levensvatbaarheid en schaalbaarheid van dergelijke benaderingen. De resulterende nanosheets missen kristalliniteit, wat wijst op de vorming van kleine kristallijne domeinen met een slechte oriëntatiecontrole. Deze structurele tekortkomingen belemmeren de prestaties van de nanosheet en beperken wetenschappers om de structuur-eigenschapsrelaties van de nanosheet te bestuderen.

Nu heeft een team van onderzoekers onder leiding van professor Hiroshi Nishihara van de Tokyo University of Science (TUS) Japan, onderzocht of op BHT gebaseerde coördinatie-nanobladen ontwikkeld door de introductie van twee metaalionen de bovengenoemde uitdagingen zouden kunnen overwinnen, in een nieuwe studie, gepubliceerd in Geavanceerde materialen , gefinancierd door Japan Science and Technology Agency, Japan Society for the Promotion of Science en de White Rock Foundation. Om dit te doen, heeft het team, waaronder ook Dr. Ryojun Toyoda en Dr. Naoya Fukui van TUS, en Professor Henning Sirringhaus van de Universiteit van Cambridge, en Professor Sono Sasaki van het Kyoto Institute of Technology, heterometallische nanosheetfilms gemaakt in een vloeistof- vloeistofgrensvlak, door de mengverhouding van twee metaalionen - koper (Cu) en nikkel (Ni) in een waterige oplossing te veranderen. Simpel gezegd, ze goten een waterige oplossing die deze twee metaalionen bevatte op een organische oplossing die een BHT-precursor bevatte.

Tot hun verbazing ontdekten ze dat zich een nieuwe structurele fase had gevormd op het grensvlak tussen de twee fasen, met tussenliggende verhoudingen van nikkel en koper. Bovendien ontdekten ze dat deze NiCu₂ BHT-film had een veel hogere kristalliniteit dan pure koper- en nikkelfilms!

Dr. Nishihara en team waren vooral enthousiast over deze bevindingen, omdat een dergelijke benadering normaal gesproken nanosheets met een slechte kristalliniteit oplevert.

"Onze resultaten geven aan dat de nanosheets in een specifieke richting en met een vaste samenstelling groeien, NiCu₂ BHT, op het vloeistof-vloeistofgrensvlak wanneer de twee metaalionen in een geschikte verhouding worden gemengd", legt prof. Nishihara uit. "Het is buitengewoon dat zo'n eenvoudige vermenging van verschillende metaalionen resulteerde in een unieke structuur met 2D-periodiciteit en verbeterde kristalliniteit, zelfs in relatief dikke films", voegt hij eraan toe.

Met een toename van de kristalliniteit werden ook opmerkelijke verbeteringen waargenomen in de prestaties van deze heterometalen nanoplaten. Elektrische geleidbaarheidsmetingen samen met de analyse van filmmorfologie via elektronenmicroscopietechnieken onthulden dat deze films lagere activeringsenergieën en hogere geleidbaarheid hebben dan koperfilms. In feite observeerden onderzoekers geleidbaarheid tot 1300 S/cm met een afhankelijkheid van temperatuur vergelijkbaar met die van goede metalen geleiders. Deze waarnemingen zijn opmerkelijk omdat dergelijke waarden tot de hoogste behoren die kunnen worden waargenomen voor 2D-coördinatie-nanobladen!

Ten slotte analyseerde het team de onderliggende mechanismen die leidden tot deze verbetering in kristallijne orde en suggereerde dat NiCu₂ BHT-films kunnen zich van nature in een dubbellaagse structuur rangschikken die de structurele spanning van het materiaal opheft.

"Het is redelijk om aan te nemen dat een dubbellaagse structuur een gunstigere structurele fase is voor heterometallische BHT-gebaseerde coördinatie-nanobladen, in plaats van de vervormde structuren van de overeenkomstige homometalen films. Over het algemeen openen onze bevindingen een krachtige nieuwe weg om de kristalliniteit en afstemming te verbeteren van de functionele eigenschappen van sterk geleidende coördinatie-nanobladen voor een breed scala aan apparaattoepassingen." zegt Dr. Nishihara, terwijl hij zijn bevindingen bespreekt. + Verder verkennen

On-water creatie van geleidende metaal-organisch-framework nanosheets