Forskare utvecklar en enkel strategi för att förbättra de strukturella egenskaperna hos koordinerande nanoark genom att blanda två metalljonlösningar tillsammans med en kraftfull organisk ligand. Kredit:Tokyo University of Science
Koordination nanosheets är en ny och framväxande klass av tvådimensionella material, som snabbt får betydelse inom området nanomaterial. De består av metalljoner och organiska ligandmolekyler, länkade till varandra för att bilda ett ramverk, via koordinationsbindningar. Dessa nanoark fungerar som byggstenar, som kan blandas och matchas för att producera ett stort antal plana strukturer, med potentiella tillämpningar i elektroniska enheter, batterier och katalytiska system.
2013 upptäcktes bensenhexatiolato (BHT) som en kraftfull organisk ligand i koordinerande nanoark. Det observerades att när man byter element som används i metallcentra är det möjligt att skapa BHT-baserade nanoskivor med mycket olika strukturella egenskaper.
Syntesen av BHT-baserade koordinationsnanoark via lösningsbaserade processer har dock visat sig vara utmanande, vilket är ganska olyckligt på grund av den ekonomiska bärkraften och skalbarheten hos sådana tillvägagångssätt. De resulterande nanoskivorna saknar kristallinitet, vilket indikerar bildandet av små kristallina domäner med dålig orienteringskontroll. Dessa strukturella brister hindrar nanoarkets prestanda och begränsar forskare från att studera nanoarkets struktur-egenskapsrelationer.
Nu har ett team av forskare under ledning av professor Hiroshi Nishihara från Tokyo University of Science (TUS) Japan undersökt om BHT-baserade koordinationsnanoskivor som utvecklats genom införandet av två metalljoner skulle kunna övervinna de ovan nämnda utmaningarna, i en ny studie, publicerad i Avancerat material , finansierat av Japan Science and Technology Agency, Japan Society for the Promotion of Science och White Rock Foundation. För att göra det förberedde teamet, som även inkluderade Dr. Ryojun Toyoda och Dr. Naoya Fukui från TUS, och professor Henning Sirringhaus från University of Cambridge, och professor Sono Sasaki från Kyoto Institute of Technology, heterometalliska nanoarkfilmer vid en flytande- vätskegränssnitt, genom att ändra blandningsförhållandet mellan två metalljoner - koppar (Cu) och nickel (Ni), i en vattenlösning. Enkelt uttryckt hällde de en vattenlösning innehållande dessa två metalljoner på en organisk lösning innehållande en BHT-prekursor.
Till sin förvåning fann de att en ny strukturell fas hade bildats i gränsytan mellan de två faserna, med mellanliggande förhållanden av nickel och koppar. Dessutom fann de att detta NiCu2 BHT-film hade mycket högre kristallinitet än rena koppar- och nickelfilmer!
Dr. Nishihara och teamet var särskilt glada över dessa fynd, eftersom ett sådant tillvägagångssätt normalt ger nanoark med dålig kristallinitet.
"Våra resultat indikerar att nanoarken växer i en specifik riktning och med en fast sammansättning, NiCu2 BHT, vid vätske-vätska-gränsytan när de två metalljonerna blandas i ett lämpligt förhållande", förklarar Prof. Nishihara. "Det är extraordinärt att en sådan enkel blandning av olika metalljoner resulterade i en unik struktur med 2D-periodicitet och förbättrad kristallinitet, även i relativt tjocka filmer", tillägger han.
Med en ökning av kristallinitet observerades även anmärkningsvärda förbättringar i prestandan hos dessa heterometalliska nanoskivor. Mätningar av elektrisk konduktivitet tillsammans med analys av filmmorfologi via elektronmikroskopi avslöjade att dessa filmer har lägre aktiveringsenergier och högre konduktivitet än kopparfilmer. Faktum är att forskare observerade konduktiviteter på upp till 1300 S/cm med ett temperaturberoende liknande det för bra metallledare. Dessa observationer är anmärkningsvärda eftersom sådana värden är bland de högsta som har observerats för 2D-koordination nanoark!
Slutligen analyserade teamet de underliggande mekanismerna som ledde till denna förbättring i kristallin ordning och föreslog att NiCu2 BHT-filmer kan naturligt arrangera sig själva i en dubbelskiktsstruktur som frigör materialets strukturella spänningar.
"Det är rimligt att anta att en dubbelskiktsstruktur är en mer gynnsam strukturell fas för heterometalliska BHT-baserade koordinationsnanoark, snarare än de förvrängda strukturerna hos motsvarande homometalliska filmer. Sammantaget öppnar våra resultat en kraftfull ny väg för att förbättra kristalliniteten och inställningen av de funktionella egenskaperna hos högledande koordinationsnanoark för ett brett spektrum av enhetstillämpningar." säger Dr Nishihara medan han diskuterar sina fynd. + Utforska vidare
