Kopparnanomaterial med en kubisk form så perfekt att de bildar prydligt inriktade staplar när de förs samman har skapats av forskare vid KAUST. De kubiska kopparnanoklusterna, utvecklad av rationell design, är en ny medlem i en exotisk nanomaterialfamilj som har visat många lovande egenskaper men som har varit väldigt svåra att tillverka.

"Nanomaterial av koppar är en klass av material som uppvisar användbara egenskaper för områdena fotoluminescens och katalys, " säger Ren-Wu Huang, en postdoc i Osman Bakrs labb, som ledde forskningen. Det finns ett stort intresse för att syntetisera nya kopparnanomaterial för att förstå hur deras struktur påverkar deras funktion.

Kopparnanokluster, som har en atomärt exakt struktur, är bland de få kopparnanomaterial som kan ge sådana insikter på atomnivå eftersom deras totala struktur kan bestämmas genom enkristallröntgendiffraktion. "Dock, syntesen av kopparnanokluster är fortfarande en stor utmaning och dess utvecklingstakt är långsam jämfört med nanokluster gjorda av dess systermetaller, silver och guld, ", tillägger Huang.

I deras senaste verk, laget hade som mål att göra ett väterikt polyhydrido kopparnanokluster (PCN). "För att skapa de kubformade nanoklustren, vi tillsatte trifenylfosfin (Ph3P) till vårt syntesreaktionssystem, " säger Bakr. Baserat på tidigare syntetiserade PCN-strukturer, teamet förutspådde att trifenylfosfin, med sin stela koniska struktur, skulle bidra till att skapa ett nytt nanokluster med en rätvinklig form.

De mörkorange blockliknande kristallerna som teamet isolerade från reaktionsblandningen visade sig vara en ny PCN-struktur med den förutsagda kubiska formen. Enkristallröntgendiffraktion visade att hjärtat i varje nanokluster innehöll 23 kopparatomer. Runt denna kärna fanns åtta trifenylfosfingrupper, bildar de åtta hörnen av kuben.

Slående, varje mörkorange kristall bestod av flera kubiska nanokluster, staplade prydligt tillsammans i perfekt anpassade rader och kolumner. "Vi fann att den subtila synergin mellan den kubiska formen och interkluster icke-kovalenta bindningsinteraktioner, såsom vätebindning och van der Waals-interaktioner, är den främsta drivkraften för den unika enkla kubiska självmonteringen av nanokluster, " säger Huang.

Trots lagets senaste upptäckter, koppar nanokluster forskning är fortfarande i sin linda. "Klara frågor om tillväxtmekanismen, strukturutveckling och struktur-egenskapsrelationer för kluster har ännu inte behandlats, ", säger Bakr. "Vi strävar efter att belysa dessa frågor och att gå vidare med att utnyttja klustrens potential för viktiga katalytiska reaktioner."