Lo sviluppo di nanomateriali funzionali è stato un importante punto di riferimento nella storia della scienza dei materiali. Le nanoparticelle con diametri che vanno da 5 a 500 nm hanno proprietà senza precedenti, come un'elevata attività catalitica, rispetto ai loro omologhi materiali sfusi. Inoltre, man mano che le particelle diventano più piccole, fenomeni quantistici esotici diventano più importanti. Ciò ha permesso agli scienziati di produrre materiali e dispositivi con caratteristiche che erano state solo sognate, soprattutto nel campo dell'elettronica, catalisi, e ottica.

Ma cosa succede se andiamo più piccoli? Le sub-nanoparticelle (SNP) con dimensioni delle particelle di circa 1 nm sono ora considerate una nuova classe di materiali con proprietà distinte a causa della predominanza degli effetti quantistici. Il potenziale non sfruttato degli SNP ha attirato l'attenzione degli scienziati di Tokyo Tech, che stanno attualmente affrontando le sfide che sorgono in questo campo per lo più inesplorato. In un recente studio pubblicato su Giornale della Società Chimica Americana , un team di scienziati del Laboratorio di Chimica e Scienze della Vita, guidato dal dottor Takamasa Tsukamoto, ha dimostrato un nuovo approccio di screening molecolare per trovare SNP promettenti.

Come ci si aspetterebbe, la sintesi degli SNP è afflitta da difficoltà tecniche, ancor di più per quelli contenenti più elementi. Il Dr. Tsukamoto spiega:"Anche gli SNP contenenti solo due elementi diversi sono stati a malapena studiati perché la produzione di un sistema di scala subnanometrica richiede un controllo accurato del rapporto di composizione e della dimensione delle particelle con precisione atomica". Però, questo team di scienziati aveva già sviluppato un nuovo metodo con il quale gli SNP potevano essere prodotti da diversi sali metallici con un controllo estremo sul numero totale di atomi e sulla proporzione di ciascun elemento.

Il loro approccio si basa sui dendrimeri (vedi Figura 1), un tipo di molecola simmetrica che si ramifica radialmente verso l'esterno come alberi che germogliano formano un centro comune. I dendrimeri fungono da modello su cui i sali metallici possono essere accuratamente accumulati alla base dei rami desiderati. Successivamente, attraverso la riduzione chimica e l'ossidazione, Gli SNP sono sintetizzati con precisione sullo scaffold dendrimero. Gli scienziati hanno utilizzato questo metodo nel loro studio più recente per produrre SNP con varie proporzioni di ossidi di indio e stagno e quindi hanno esplorato le loro proprietà fisico-chimiche.

Una scoperta particolare è stata che gli stati elettronici insoliti e il contenuto di ossigeno si sono verificati con un rapporto indio-stagno di 3:4 (vedi Figura 2). Questi risultati sono stati senza precedenti anche negli studi di nanoparticelle con dimensioni e composizione controllate, e gli scienziati li hanno attribuiti a fenomeni fisici esclusivi della scala sub-nanometrica. Inoltre, hanno scoperto che le proprietà ottiche degli SNP con questa proporzione elementare erano diverse non solo da quelle degli SNP con altri rapporti, ma anche di nanoparticelle con lo stesso rapporto. Come mostrato in Figura 3, gli SNP con questo rapporto erano gialli invece che bianchi e mostravano fotoluminescenza verde sotto irradiazione ultravioletta.

L'esplorazione delle proprietà dei materiali su scala sub-nanometrica porterà molto probabilmente alla loro applicazione pratica nell'elettronica e nei catalizzatori di prossima generazione. Questo studio, però, è solo l'inizio nel campo dei materiali sub-nanometrici, come conclude il Dr. Tsukamoto:"Il nostro studio segna la prima scoperta in assoluto di funzioni uniche negli SNP e dei loro principi sottostanti attraverso una ricerca di screening sequenziale. Riteniamo che i nostri risultati serviranno come passo iniziale verso lo sviluppo di quanto ancora sconosciuto. materiali a misura." Il mondo sub-nanometrico ti aspetta!