Miniatyrisering är ledord för framsteg. Nanovetenskap, studera strukturer i skalan av ett fåtal atomer, har legat i framkant inom kemin sedan en tid tillbaka. Nyligen, forskare vid University of Tokyo utvecklade den nya strategin för att konstruera metallaggregat i undernanostorlek, bygga upp små metallkluster till större 3D-arkitekturer. Deras skapelser kan ha verkligt industriellt värde.

Nanochemistry erbjuder en rad klassiska designformer, såsom kuber, stavar, trådar och till och med "nanoflingor, " alla byggda från atomkluster. Teamet vid Uni Tokyos Institute of Industrial Science (IIS) bygger nanoskivor av ädelmetallen palladium (Pd). I en ny studie, de gängade dessa 2-D byggstenar till en distinkt 3D-design.

Ett smart sätt att göra nanosheets är att använda mallar - organiska molekyler som fungerar som en ram för metallatomerna. Går bortom rent organiska mallar, IIS-teamet använde en organosilicium, en molekyl baserad på tre kiselatomer, att konstruera ett böjt eller "fjärilformat" ark med fyra Pd-atomer. Dessa metaller stabiliserades genom bindning med bensenringar som dinglade från silikonerna.

"När man tittar på strukturen för Pd ₄ molekyl, vi såg potentialen att länka samman flera ark av detta slag genom kemiska länkar, " säger Kento Shimamoto, medförfattare till studien i Kemi—A European Journal . "Med den rätta mallen, vi resonerade, vi skulle kunna utöka dimensionaliteten hos vårt kluster från ett 2D-ark till den tredje dimensionen."

Bygga stabila nanokluster, även i 2D, är inte lätt på grund av bristen på lämpliga mallmolekyler som driver metallarterna i närheten. Dock, metallcentra kan kopplas samman stabilt samtidigt som de bibehåller ett bekvämt avstånd genom användning av överbryggande atomer som klor. De resulterande klustren har ofta unika kemiska egenskaper som ett resultat av metall-metall-interaktioner.

Teamet valde därför en ny organosilikonmall med två kloratomer som ersatte en del av den organiska regionen. Att reagera palladiumkällan med denna nya mall producerade inte ett 2D-ark, men ett 3D-kluster som innehåller sex Pd-atomer. Metallerna bildade tydligen ett par av Pd ₄ tetraedrar (som delar två atomer), överbryggas av klor, vilket tvingade Pd-atomerna tillräckligt nära för att binda med varandra.

"3D sub-nanokluster har verklig potential som katalysatorer och funktionella material, " säger huvudförfattaren Yusuke Sunada. "Men deras funktion beror starkt på exakt kontroll av deras form. Organokisel är lättillgängligt, och erbjuda en plattform för att designa olika arkitekturer, länka flera kluster till större molekyler på ett industriellt genomförbart sätt."