Erste Einblicke in das technische Kristallwachstum durch atomar präzise Metall-Nanocluster wurden in einer Studie erzielt, die von Forschern in Singapur, Saudi-Arabien und Finnland durchgeführt wurde. Die Arbeit wurde veröffentlicht in Naturchemie.
Gewöhnliche feste Materie besteht aus Atomen, die in einem Kristallgitter organisiert sind. Der chemische Charakter der Atome und die Gittersymmetrie bestimmen die Eigenschaften der Materie, ob es sich beispielsweise um ein Metall, einen Halbleiter oder einen elektrischen Isolator handelt. Die Gittersymmetrie kann durch Umgebungsbedingungen wie Temperatur oder hohen Druck verändert werden, was Strukturübergänge induzieren und sogar einen elektrischen Isolator in einen elektrischen Leiter, also ein Metall, verwandeln kann.
Größere identische Einheiten wie Nanopartikel oder atomar präzise Metall-Nanocluster können sich auch zu einem Kristallgitter organisieren, um sogenannte Metamaterialien zu bilden. Allerdings sind Informationen darüber, wie man das Wachstum solcher Materialien aus ihren Bausteinen konstruiert, rar, da das Kristallwachstum ein typischer selbstorganisierender Prozess ist.
Nun wurden in einer Studie, die von Forschern in Singapur, Saudi-Arabien und Finnland durchgeführt wurde, erste Einblicke in das technische Kristallwachstum durch atomar präzise Metall-Nanocluster gewonnen. Sie synthetisierten Metallcluster, die aus nur 25 Goldatomen mit einem Durchmesser von einem Nanometer bestehen. Diese Cluster sind aufgrund der Ligandenmoleküle, die das Gold schützen, wasserlöslich. Es ist bekannt, dass sich dieses Clustermaterial selbst zu wohldefinierten dicht gepackten Einkristallen zusammensetzt, wenn das Wasserlösungsmittel verdampft wird.
Die Forscher fanden jedoch ein neuartiges Konzept, um das Kristallwachstum zu regulieren, indem sie dem Lösungsmittel Tetra-Alkyl-Ammonium-Molekülionen zusetzten. Diese Ionen beeinflussen die Oberflächenchemie der Goldcluster, und es wurde beobachtet, dass ihre Größe und Konzentration einen Einfluss auf die Größe, Form und Morphologie der gebildeten Kristalle haben. Bemerkenswerterweise zeigten hochauflösende elektronenmikroskopische Bilder einiger der Kristalle, dass sie aus Polymerketten von Clustern mit Verbindungen zwischen den Partikeln aus vier Goldatomen bestehen.
Die demonstrierte Oberflächenchemie eröffnet nun neue Wege, Metallcluster-basierte Metamaterialien für die Untersuchung ihrer elektronischen und optischen Eigenschaften zu konstruieren.
Die Clustermaterialien wurden an der National University of Singapore synthetisiert, die elektronenmikroskopische Bildgebung an der King Abdullah University of Science and Technology in Saudi-Arabien durchgeführt und die theoretische Modellierung an der University of Jyvaskyla, Finnland, durchgeführt.
Mehr Informationen:
Qiaofeng Yao et al, Superkristall-Engineering von atomar präzisen Gold-Nanopartikeln, gefördert durch Oberflächendynamik, Naturchemie (2022). DOI: 10.1038/s41557-022-01079-9