I nanocluster (NC) sono materiali cristallini che tipicamente esistono su scala nanometrica. Sono composti da atomi o molecole in combinazione con metalli come cobalto, nichel, ferro e platino e hanno trovato diverse applicazioni interessanti in diversi campi, tra cui il rilascio di farmaci, la catalisi e la purificazione dell'acqua.
Una riduzione delle dimensioni dei NC può sbloccare ulteriore potenziale, consentendo processi come la catalisi a singolo atomo. In questo contesto, la coordinazione delle molecole organiche con i singoli atomi dei metalli di transizione sembra promettente per ulteriori progressi in questo campo.
Un approccio innovativo per ridurre ulteriormente le dimensioni dei NC prevede l’introduzione di atomi metallici in film monostrato autoassemblati su superfici piane. Tuttavia, è fondamentale prestare attenzione nel garantire che la disposizione degli atomi metallici su queste superfici non interrompa la natura ordinata di questi film monostrato.
Ora, in un recente studio pubblicato sul Journal of Materials Chemistry C , il Dr. Toyo Kazu Yamada della Graduate School of Engineering dell'Università di Chiba, insieme a Masaki Horie del Dipartimento di Ingegneria Chimica dell'Università Nazionale Tsing Hua, Satoshi Kera dell'Istituto di Scienze Molecolari e Peter Krüger anch'egli della Graduate School of Gli ingegneri dell'Università di Chiba hanno mostrato la crescita superficiale degli atomi di cobalto su array di anelli molecolari a temperatura ambiente.
Parlando di questo progresso, il dottor Yamada afferma:"Questo metodo avanzato di formazione di nanocluster funzionali con precisione su scala atomica può essere utilizzato nello sviluppo di catalizzatori altamente efficienti o nell'informatica quantistica."
Nello studio, il team ha utilizzato strutture molecolari a forma di anello chiamate “eteri corona”, che contengono anelli di benzene e bromo. Queste strutture sono state utilizzate per intrappolare e far crescere NC di cobalto su superfici piane di rame. Gli NC di cobalto risultanti erano di due dimensioni, 1,5 nm e 3,6 nm. Per comprendere ulteriormente le loro proprietà e struttura, sono state impiegate varie tecniche, tra cui la microscopia e spettroscopia a effetto tunnel a bassa temperatura (STM e STS), la spettroscopia fotoelettronica risolta in angolo (ARPES) con diffrazione elettronica a bassa energia (LEED) e la teoria del funzionale della densità ( DFT) calcoli.
L'analisi ha rivelato la formazione di siti superficiali stabili a cui potrebbero attaccarsi gli atomi di cobalto. Inoltre, si è scoperto che la formazione di questi siti superficiali stabili è influenzata dall'ibridazione elettronica (miscelazione) tra gli eteri corona e il cobalto. Una volta intrappolato, l’atomo di cobalto agiva come un centro di nucleazione, attirando altri atomi di cobalto per formare un NC. Inoltre, a differenza del comportamento abituale delle molecole dell'etere corona in soluzione, queste molecole non intrappolavano l'atomo di metallo al centro dell'anello corona. Invece, l'atomo di metallo era sul bordo, a causa della presenza di atomi di bromo in quella posizione.
Discutendo il potenziale a lungo termine di queste scoperte, il dottor Yamada afferma:"L'uso di questo approccio in applicazioni come la catalisi di un singolo atomo, la miniaturizzazione dei mezzi spintronici e l'informatica quantistica contribuirà allo sviluppo di una società basata sull'informazione in un modo che riduce l'anidride carbonica (CO2 ) produzione."
In sintesi, il team ha dimostrato con successo la crescita dei NC di cobalto sfruttando il potenziale di intrappolamento delle molecole di etere corona bidimensionale su una superficie di rame. Il comportamento chimico delle molecole dell’etere corona si è discostato dalle interazioni tipiche osservate in soluzione, intrappolando gli atomi di cobalto sul bordo e non al centro. È importante sottolineare che il metodo ha dimostrato una produzione efficace e su larga scala di NC con dimensioni e morfologia ben definite a temperatura ambiente.
Ulteriori informazioni: Toyo Kazu Yamada et al, Crescita sulla superficie di nanocluster di cobalto di metalli di transizione utilizzando un array corona-etere 2D, Journal of Materials Chemistry C (2023). DOI:10.1039/D3TC03339B
Fornito dall'Università di Chiba
