Att förändra en enda atom i ett silvernanokluster förändrar dess egenskaper avsevärt, skapa en spännande möjlighet att designa dessa kluster.
Utseendet av metaller, såsom deras blanka yta eller deras elektriska ledningsförmåga, bestäms av ensemblen av atomer som består av metallen. Situationen skiljer sig åt på molekylär skala, och forskare vid King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Saudiarabien, har visat att ersättning av en enda atom i ett kluster av 25 silveratomer med en guldatom i grunden förändrar dess egenskaper.
Metallatomnanokluster är gjorda av en kärna av några metallatomer omgivna av ett skyddande skal av stabiliserande ligander. Nanokluster finns i olika storlekar, men varje stabil variation av nanokluster har exakt samma antal metallatomer. Detta leder till mycket kontrollerbara egenskaper, noterade Osman Bakr, KAUST docent i materialvetenskap och teknik och ledare för forskargruppen.
"Nanokluster har unika arrangemang av atomer och storleksberoende absorption, fluorescens, elektroniska och katalytiska egenskaper, " han sa.
Ett populärt nanokluster av metall är [Ag 25 (SR) 18 ]-, som består av 25 silveratomer. Detta nanokluster är unikt då det motsvarar ett guld nanokluster som har exakt samma antal atomer. Båda klustren har olika egenskaper på grund av olika metaller som används. För att förstå exakt hur atomsammansättningen påverkar dessa egenskaper, forskarna ersatte en enda silveratom med guld.
Att ersätta en enda atom i ett nanokluster är en svår uppgift. Direkta kemiska metoder kan användas, men dessa ger liten kontroll över hur många atomer som ersätts, vilket gör det svårt att tillskriva nanoklusterstrukturen särskilda egenskaper.
Istället, forskarna använde en galvanisk ersättningsprocess som bygger på skillnaden i den elektrokemiska potentialen mellan de inkommande och utgående atomerna för att framkalla atomära ersättningar. Till deras förvåning, processen gav ett pålitligt och exakt atomutbyte där endast den centrala silveratomen ersätts med guld.
Ersättningen gav dramatiska förändringar i nanoklustret. En lösning av silvernanoklusterna ser orange ut, medan färgen efter bytet av den centrala atomen blir mörkgrön.
Detta indikerar mer fundamentala förändringar i egenskaper, sa Bakr. "Omgivningsstabiliteten och fluorescensen hos nanoklustret förbättrades med en faktor 25 som ett resultat av denna enda atomersättning. Dessutom, vi kan nu visa vikten av en enatomförorening på nanopartiklar och modulera egenskaperna på enatomnivå, " noterade han.
Den pålitliga ersättningen av endast en enda guldatom öppnar dörren till en mer systematisk undersökning av metallnanokluster, som kan hjälpa till att avslöja mekanismerna för de kemiska och fysikaliska förändringar som uppstår vid ersättningen.
