Alterare un singolo atomo in un nanocluster d'argento cambia notevolmente le sue proprietà, creando un'entusiasmante opportunità per progettare questi cluster.
L'aspetto dei metalli, come la loro superficie lucida o la loro conduttività elettrica, è determinato dall'insieme di atomi che compongono il metallo. La situazione è diversa su scala molecolare, e ricercatori della King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Arabia Saudita, hanno dimostrato che sostituire un singolo atomo in un cluster di 25 atomi d'argento con un atomo d'oro cambia radicalmente le sue proprietà.
I nanocluster di atomi di metallo sono costituiti da un nucleo di pochi atomi di metallo circondati da un guscio protettivo di ligandi stabilizzanti. I nanocluster sono disponibili in diverse dimensioni, ma ogni variazione stabile di nanocluster ha esattamente lo stesso numero di atomi di metallo. Questo porta a proprietà molto controllabili, ha osservato Osman Bakr, Professore associato KAUST di scienza dei materiali e ingegneria e leader del gruppo di ricerca.
"I nanocluster hanno disposizioni uniche di atomi e assorbimento dipendente dalle dimensioni, fluorescenza, proprietà elettroniche e catalitiche, " Egli ha detto.
Un popolare nanocluster metallico è [Ag 25 (RS) 18 ]-, che consiste di 25 atomi di argento. Questo nanocluster è unico in quanto corrisponde a un nanocluster d'oro che ha esattamente lo stesso numero di atomi. Entrambi i cluster hanno proprietà diverse a causa del diverso metallo utilizzato. Per capire esattamente come la composizione atomica influisce su queste proprietà, i ricercatori hanno sostituito un singolo atomo d'argento con l'oro.
Sostituire un singolo atomo in un nanocluster è un compito difficile. Possono essere utilizzati metodi chimici diretti, ma questi danno poco controllo su quanti atomi vengono sostituiti, rendendo difficile attribuire particolari proprietà alla struttura del nanocluster.
Anziché, i ricercatori hanno utilizzato un processo di sostituzione galvanica che si basa sulla differenza nel potenziale elettrochimico tra gli atomi in entrata e in uscita per indurre sostituzioni atomiche. Con loro sorpresa, il processo ha prodotto uno scambio atomico affidabile e preciso in cui solo l'atomo d'argento centrale è sostituito dall'oro.
La sostituzione ha prodotto cambiamenti drammatici nel nanocluster. Una soluzione dei nanocluster d'argento appare arancione, mentre dopo la sostituzione dell'atomo centrale il colore diventa verde scuro.
Questo indica cambiamenti più fondamentali nelle proprietà, ha detto Bakr. "La stabilità ambientale e la fluorescenza del nanocluster sono state migliorate di un fattore 25 come risultato di questa sostituzione di un singolo atomo. Inoltre, siamo ora in grado di dimostrare l'importanza dell'impurità di un singolo atomo sulle nanoparticelle e di modulare le proprietà a livello del singolo atomo, " ha osservato.
La sostituzione affidabile di un solo atomo d'oro apre le porte a un'indagine più sistematica sui nanocluster metallici, che possono aiutare a scoprire i meccanismi dei cambiamenti chimici e fisici derivanti dalla sostituzione.
