Utvecklingen av funktionella nanomaterial har varit ett viktigt landmärke i materialvetenskapens historia. Nanopartiklar med diametrar från 5 till 500 nm har oöverträffade egenskaper, såsom hög katalytisk aktivitet, jämfört med sina motsvarigheter i bulkmaterial. Dessutom, när partiklarna blir mindre, exotiska kvantfenomen blir mer framträdande. Detta har gjort det möjligt för forskare att producera material och enheter med egenskaper som man bara hade drömt om, speciellt inom elektronikområdet, katalys, och optik.

Men vad händer om vi blir mindre? Sub-nanopartiklar (SNP) med partikelstorlekar på cirka 1 nm anses nu vara en ny klass av material med distinkta egenskaper på grund av övervägande kvanteffekter. Den outnyttjade potentialen hos SNP:er uppmärksammades av forskare från Tokyo Tech, som för närvarande tar sig an de utmaningar som uppstår på detta mestadels outforskade område. I en nyligen publicerad studie publicerad i Journal of the American Chemical Society , ett team av forskare från Laboratory of Chemistry and Life Sciences, ledd av Dr. Takamasa Tsukamoto, demonstrerade en ny molekylär screeningmetod för att hitta lovande SNP.

Som man kunde förvänta sig, syntesen av SNP plågas av tekniska svårigheter, ännu mer för de som innehåller flera element. Dr. Tsukamoto förklarar:"Även SNP som innehåller bara två olika element har knappt undersökts eftersom produktion av ett system av subnanometerskala kräver fin kontroll av sammansättningsförhållandet och partikelstorleken med atomär precision." Dock, detta team av forskare hade redan utvecklat en ny metod med vilken SNP:er kunde tillverkas av olika metallsalter med extrem kontroll över det totala antalet atomer och andelen av varje element.

Deras tillvägagångssätt bygger på dendrimerer (se figur 1), en typ av symmetrisk molekyl som förgrenar sig radiellt utåt som träd som spirar bildar ett gemensamt centrum. Dendrimerer fungerar som en mall på vilken metallsalter exakt kan ackumuleras vid basen av de önskade grenarna. Senare, genom kemisk reduktion och oxidation, SNP:er syntetiseras exakt på dendrimerställningen. Forskarna använde denna metod i sin senaste studie för att producera SNP med olika proportioner av indium- och tennoxider och utforskade sedan deras fysikalisk-kemiska egenskaper.

Ett märkligt fynd var att ovanliga elektroniska tillstånd och syrehalt inträffade vid ett indium-till-tenn-förhållande på 3:4 (se figur 2). Dessa resultat var utan motstycke även i studier av nanopartiklar med kontrollerad storlek och sammansättning, och forskarna tillskrev dem fysiska fenomen exklusiva för subnanometerskalan. Dessutom, de fann att de optiska egenskaperna hos SNP:er med denna elementära proportion skilde sig inte bara från de hos SNP:er med andra förhållanden, men också av nanopartiklar med samma förhållande. Som visas i figur 3, SNP:erna med detta förhållande var gula istället för vita och uppvisade grön fotoluminescens under ultraviolett bestrålning.

Att utforska materialegenskaper på subnanometerskala kommer sannolikt att leda till deras praktiska tillämpning i nästa generations elektronik och katalysatorer. Den här studien, dock, är bara början inom området subnanometermaterial, som Dr. Tsukamoto avslutar:"Vår studie markerar den första upptäckten någonsin av unika funktioner i SNP och deras underliggande principer genom en sekventiell screeningsökning. Vi tror att våra fynd kommer att fungera som det första steget mot utvecklingen av ännu okända kvantum. material i storlek." Den sub-nanometriska världen väntar!