Aufbau präziser kleiner Nanopartikel mit Templates

Nanopartikel (mit Größen zwischen 3 und 500 nm) und Sub-Nanocluster (mit einem Durchmesser von etwa 1 nm) werden in vielen Bereichen eingesetzt, darunter Medizin, Robotik, Materialwissenschaften und Ingenieurwesen. Ihre geringe Größe und das große Verhältnis von Oberfläche zu Volumen verleihen ihnen einzigartige Eigenschaften, die sie für eine Vielzahl von Anwendungen wertvoll machen, die von der Schadstoffkontrolle bis zur chemischen Synthese reichen.

Kürzlich haben Quasi-Sub-Nanomaterialien mit einer Größe von etwa 1–3 nm Aufmerksamkeit erregt, weil sie eine doppelte Natur haben – sie können sowohl als Nanopartikel als auch als anorganische Moleküle betrachtet werden. Verständlicherweise könnte die Kontrolle der Anzahl der Atome in einem Quasi-Sub-Nanomaterial von großem Wert sein. Die Synthese solch präziser molekularer Strukturen ist jedoch eine technische Herausforderung, aber die Wissenschaftler der Tokyo Tech waren dieser Herausforderung gewiss gewachsen.

Dendrons – stark verzweigte molekulare Strukturen aus basischen Iminen – wurden als Vorläufer für die präzise Synthese von Quasi-Sub-Nanomaterialien mit der gewünschten Anzahl von Atomen vorgeschlagen. Die Imine in den Dendrons fungieren als Gerüst, das Komplexe mit bestimmten sauren Metallsalzen bilden kann, wodurch Metalle an der Dendronstruktur angesammelt werden. Diese wiederum lassen sich zu metallischen Sub-Nanoclustern mit der gewünschten Atomzahl reduzieren. Die Synthese von Dendrons mit einem hohen Anteil an Iminen ist jedoch ein teurer Prozess mit geringer Ausbeute.

Nun, in einer Studie veröffentlicht in Angewandte Chemieerklären die Forscher, wie sie mehrere Dendrimerstrukturen zu einer supramolekularen Kapsel aus mehr als 60 Iminen kombiniert haben. „Die Synthese von Dendron-zusammengesetzten Supramolekülen wurde durch die Verbindung von inneren Kerneinheiten und äußeren Dendroneinheiten erreicht, die die zentrale Struktur bzw. die Endverzweigungen bestimmen“, erklärt Assistenzprofessor Takamasa Tsukamoto, der an der Studie beteiligt war. Die innere Struktur dieses Supramoleküls enthielt einen sechszackigen Kern mit saurem Tritylium, während jede äußere Einheit Dendrons mit Iminen enthielt. Die Wechselwirkung zwischen dem sauren Kern und der basischen Außenstruktur führte zu einem selbstorganisierenden Organokomplex.

Darüber hinaus wurde festgestellt, dass sich die Imine zusammen mit Rhodiumsalzen anreichern, so dass die innersten Imine einen Komplex mit Trityliumeinheiten bildeten, während die äußersten mit den Rhodiumsalzen besetzt waren. Das resultierende Supramolekül, das eine innere Kerneinheit aufwies, die von sechs äußeren Dendroneinheiten umgeben war (jeweils mit 14 Rhodiumsalzen an den äußeren Iminen), wurde erfolgreich zu Clustern kondensiert, die 84 Rhodiumatome mit einer Größe von 1,5 nm enthielten.

Durch Anbringen von Imin enthaltenden Dendrons an einen sauren Kern konstruierten die Forscher eine supramolekulare Vorlage für die Synthese von Quasi-Sub-Nanomaterialien. Da die Imine Komplexe mit einer breiten Palette von kationischen Einheiten bilden können, kann das Verfahren außerdem verwendet werden, um eine Vielzahl von supramolekularen Strukturen zu synthetisieren. Aufgrund ihrer Vielseitigkeit, Einfachheit und Kosteneffizienz kann die Methode ein Eckpfeiler für die Entwicklung neuer Nanomaterialien sein. „Dieser neuartige Ansatz zur Gewinnung atomar definierter Quasi-Sub-Nanomaterialien ohne die Einschränkungen herkömmlicher Methoden hat das Potenzial, eine wichtige Rolle bei der Erforschung der letzten Grenzen von Nanomaterialien zu spielen“, sagt Prof. Tsukamoto. Dies mag in der Tat ein „kleiner“ Schritt für die Tokyo Tech sein, aber ein „riesiger“ Schritt für die Nanowissenschaften.