Forskare vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) har utvecklat en ny metod som gör det möjligt för forskare att bedöma den kemiska sammansättningen och strukturen hos metallpartiklar med en diameter på endast 0,5 till 2 nm. Detta genombrott inom analytiska tekniker kommer att möjliggöra utveckling och tillämpning av små material inom elektronik, biomedicin, kemi, och mer.

Studiet och utvecklingen av nya material har möjliggjort otaliga tekniska genombrott och är väsentliga inom de flesta vetenskapsområden, från medicin och bioingenjör till banbrytande elektronik. Den rationella designen och analysen av innovativa material i nanoskopisk skala tillåter oss att tränga igenom gränserna för tidigare enheter och metoder för att nå oöverträffade nivåer av effektivitet och nya möjligheter. Så är fallet för metallnanopartiklar, som för närvarande står i fokus för modern forskning på grund av deras otaliga potentiella tillämpningar. En nyligen utvecklad syntesmetod som använder dendrimermolekyler som mall tillåter forskare att skapa metalliska nanokristaller med diametrar på 0,5 till 2 nm (miljarddelar av en meter). Dessa otroligt små partiklar, kallas "subnanokluster" (SNC), har mycket utmärkande egenskaper, som att vara utmärkta katalysatorer för (elektro)kemiska reaktioner och att uppvisa märkliga kvantfenomen som är mycket känsliga för förändringar i antalet ingående atomer i klustren.

Tyvärr, de befintliga analytiska metoderna för att studera strukturen för nanoskala material och partiklar är inte lämpliga för SNC -detektion. En sådan metod, kallas Raman-spektroskopi, består av att bestråla ett prov med en laser och analysera de resulterande spridda spektra för att erhålla ett molekylärt fingeravtryck eller en profil av materialets möjliga komponenter. Även om traditionell Raman-spektroskopi och dess varianter har varit ovärderliga verktyg för forskare, de kan fortfarande inte användas för SNCs på grund av deras låga känslighet. Därför, ett forskargrupp från Tokyo Tech, inklusive Dr. Akiyoshi Kuzume, Prof. Kimihisa Yamamoto och kollegor, studerat ett sätt att förbättra Raman -spektroskopimätningar och göra dem kompetenta för SNC -analys (Figur).

En speciell typ av Raman-spektroskopi kallas ytförstärkt Raman-spektroskopi. I sin mer raffinerade variant, guld- och/eller silvernanopartiklar inneslutna i ett inert tunn kiseldioxidskal läggs till provet för att förstärka optiska signaler och därmed öka teknikens känslighet. Forskargruppen fokuserade först på att teoretiskt bestämma deras optimala storlek och sammansättning, där 100-nm optiska silverförstärkare (nästan dubbelt så stor som vanligen) kan avsevärt förstärka signalerna från SNC:erna som fästs vid det porösa kiseldioxidskalet. "Denna spektroskopiska teknik genererar selektivt Ramansignaler från ämnen som ligger i närheten av ytan på de optiska förstärkarna, " förklarar Prof. Yamamoto. För att testa dessa resultat, de mätte Ramanspektra av tennoxid SNCs för att se om de kunde hitta en förklaring i deras strukturella eller kemiska sammansättning för deras oförklarligt höga katalytiska aktivitet i vissa kemiska reaktioner. Genom att jämföra deras Raman -mätningar med strukturella simuleringar och teoretiska analyser, de hittade nya insikter om strukturen hos tennoxid SNC, förklarar ursprunget till atomicitetsberoende specifik katalytisk aktivitet hos tennoxid-SNCs.

Metoden som används i denna forskning kan ha stor inverkan på utvecklingen av bättre analytiska tekniker och subnanoskala vetenskap. "Detaljerad förståelse av ämnens fysiska och kemiska natur underlättar rationell design av subnanomaterial för praktiska tillämpningar. Mycket känsliga spektroskopiska metoder kommer att påskynda materialinnovation och främja subnanovetenskap som ett tvärvetenskapligt forskningsfält, " avslutar Prof. Yamamoto. Genombrott som det som presenteras av denna forskargrupp kommer att vara avgörande för att bredda utrymmet för tillämpningen av subnanomaterial inom olika områden inklusive biosensorer, elektronik, och katalysatorer.

Studien publiceras i Vetenskapens framsteg .