Dai farmaci efficaci ai sensori molecolari alle celle a combustibile, i cluster metallici stanno diventando fondamentalmente utili per la salute, ambiente, e settori energetici. Questa diversa funzionalità dei cluster deriva dalla variabilità delle dimensioni e del tipo. Ora, scienziati guidati dal professor Yuichi Negishi, del Dipartimento di Chimica Applicata dell'Università delle Scienze di Tokyo, aggiungere a questa storia in corso spiegando la dinamica della lega oro-argento protetta da tiolati a grappolo metallico in soluzione. Questo aiuta a capire la stabilità, geometria, e la sostenibilità di questi cluster per le loro applicazioni.

I cluster metallici si formano quando gli atomi di metallo si uniscono per formare grumi, da qualche parte tra la dimensione di una molecola e quella di un solido sfuso. Recentemente, questi cluster hanno guadagnato molta attenzione a causa delle loro diverse capacità chimiche che dipendono dalla loro dimensione e composizione. A differenza del chiuso, set, e imballaggio stabile osservato in reticoli metallici sfusi, la geometria di questi cluster, che spesso governa anche la loro reattività chimica, si basa su speciali disposizioni atomiche che riducono al minimo l'energia. Per di più, le loro funzionalità variano a seconda del numero di atomi costituenti nel cluster. Poiché questi fattori di microlivello governano l'attività finale di macrolivello dei cluster, la comprensione della dinamica dei cluster su scala atomica è essenziale. La recente esplorazione nel campo di tali ammassi metallici ha consentito la catalogazione di questi ammassi come composti di composizione chimica definita.

Uno di questi cluster metallici interessanti con proprietà catalitiche e luminescenza è il cluster in lega oro-argento protetto da tiolati. Questi grappoli metallici si formano quando singoli grappoli d'oro e d'argento protetti da tiolati vengono tenuti insieme in una soluzione. I singoli ammassi puri subiscono uno scambio di metalli, come un "baratto" chimico:un oro per un atomo d'argento. Sebbene il metodo della reazione complessa cluster-metallo (CMCR) sia ampiamente utilizzato, la dinamica effettiva di esso e l'incentivo energetico che guida tali processi non sono comprese. Questo è diventato il seme della curiosità per il team del Prof. Negishi, come affermano, "Il comportamento dinamico di questi cluster in soluzione deve essere preso in considerazione per comprendere le origini dell'attività catalitica e le proprietà di luminescenza dei cluster di leghe oro-argento oltre alla struttura geometrica".

Per illuminare il comportamento di scambio di metalli tra i cluster puri dopo la sintesi, il team ha ideato un esperimento basato sulla cromatografia in fase inversa. Si sono concentrati su questa configurazione perché differenzia le molecole in base a caratteristiche elettroniche, cioè., se la molecola è polare (con un centro positivo e negativo simultanei) o non polare (senza separazione di carica).

L'utilizzo di questa configurazione si è rivelato utile poiché il team ha riferito che, infatti, i singoli isomeri strutturali (diversa distribuzione spaziale e geometrica per un dato cluster) cambiano in soluzione anche se la massa del cluster rimane invariata. Ciò indicava che c'era uno scambio all'interno del cluster di atomi di metallo, che ha cambiato lo stato elettronico del cluster anche se la massa è rimasta la stessa. Hanno anche riferito che dopo la sintesi, con il passare del tempo, la concentrazione di diversi tipi strutturali di leghe oro-argento nella soluzione è cambiata. Ciò indicava che era in gioco anche uno scambio di metalli tra cluster. Infine, i ricercatori hanno anche osservato che lo scambio di metalli tra cluster si verifica molto più frequentemente dopo la sintesi e alla fine rallenta dopo un lungo periodo di tempo. Hanno assegnato questo alla differenza di stabilità ed energia tra le diverse strutture. "Le geometrie metastabili formate inizialmente probabilmente si convertono in geometrie termodinamicamente stabili attraverso lo scambio di metalli inter-cluster (e intra-cluster) in soluzione, " spiega il prof. Negishi.

Gli scienziati hanno verificato le loro affermazioni sulla dinamica osservata della reazione complessa cluster-metallo (CMCR) effettuando uno studio comparativo con la procedura di sintesi alternativa. Da quando, procedure tradizionali (Co-Riduzione degli Ioni Metallici) produce leghe in condizioni severe, solo le strutture termodinamicamente ed energeticamente favorevoli vedono la luce del giorno. Così, si formano strutture prevalentemente stabili, indicando che lo scambio di metalli è relativamente soppresso. Questo era in opposizione ai cluster formati dal CMCR dove si osservano inizialmente le firme per varie specie. Come il tempo passa, come tutte le cose in natura, le specie instabili cercano di riorganizzarsi in specie stabili. Come? Attraverso lo scambio di metalli, ovviamente!

Riassumere, Il prof. Negishi afferma, "Questi risultati dimostrano che i cluster di leghe oro-argento hanno diverse strutture geometriche (e distribuzioni) immediatamente dopo la sintesi, a seconda del metodo di sintesi. In tal modo, il loro comportamento dinamico in soluzione dipende anche dal metodo di sintesi."

Lo studio di cluster con diverse dimensioni e composizioni dei nuclei è entusiasmante in quanto offre opportunità entusiasmanti per sfruttare nuove proprietà fisiche e chimiche. Ma non è tutto:fornisce anche una panoramica delle loro relazioni struttura-proprietà, quasi come sbirciare nella "vita sociale" degli atomi.