Ett unikt nanokluster av kopparatomer skapat av KAUST-forskare skulle kunna fungera som en färdplan för att vägleda utformningen av nya katalysatorer och avbildningsmedel.

Ett nanokluster är en typ av nanopartikel där forskare har fastställt det exakta arrangemanget av varje atom, tillsammans med deras bindningslängder och bindningsvinklar. Denna detaljerade information gör det möjligt för forskare att förutsäga egenskaperna hos relaterade kluster, baserat på deras sammansättning och strukturer. "Det ger en praktisk modell för att förstå de inneboende korrelationerna mellan struktur och fysikalisk-kemiska egenskaper genom en kombination av experiment och teoretiska beräkningar, " säger Ren-Wu Huang från KAUST Catalysis Center, en del av teamet bakom den nya upptäckten.

Nanokluster är vanligtvis 1–3 nanometer breda och organiserade i en kärna och ett skal. Kärnans atomstruktur kan bestämma nanoklustrets struktur, storlek och optiska egenskaper, medan skalet påverkar dess stabilitet, löslighet och katalytisk aktivitet.

Nanokluster som innehåller koppar, silver och guld har potentiella användningsområden som katalysatorer, eller som icke-toxiska självlysande avbildningsmedel i levande celler. Även om nanokluster i silver och guld är väl studerade, kopparnanokluster har varit ganska försummade, dels för att metallen tenderar att reagera med syre i luften.

KAUST-teamet har nu skapat det största kopparbaserade nanoklustret hittills, och de studerar det med en rad olika tekniker, inklusive röntgenkristallografi och elektrosprayjoniseringsmasspektrometri. Varje 2,8 nanometer brett kluster innehåller 81 kopparatomer, 46 bensentiolmolekyler, 10 tert-butylaminmolekyler och 32 hydridjoner.

Nanokluster har i allmänhet polyedriska kärnor omgivna av symmetriska skal. Men det nya kopparnanoklustret har en platt kärna av 17 kopparatomer, arrangerade i ett återkommande mönster av trianglar. "Den här typen av plan kärna har aldrig observerats i tidigare rapporterade metallnanokluster, " säger Osman M. Bakr, som ledde laget.

Nanoklustret har också ett högst ovanligt halvsfäriskt skal som är 1,5 nanometer högt och täckt av bensentiolmolekyler. Skillnader mellan de böjda och plana ytorna på halvklotet tyder på att den plana ytan har en högre reaktivitet. Dessutom, beräkningar gav bevis på att arrangemanget av dessa molekyler kunde hjälpa till att underlätta överföringen av elektrisk laddning mellan olika kluster i en kristall, vilket kan visa sig vara avgörande i framtida ansökningar.

"Utvecklingen av kopparnanokluster är fortfarande i sin linda, " säger Huang. "Därför, nästa steg i vår forskning kommer att vara syntesen av kopparnanokluster med en större storlek och ny struktur, och utforska deras potentiella tillämpningar inom katalysområdet."