08.03.2022 - Tokyo Institute of Technology

Atom für Atom: Aufbau präziser kleiner Nanopartikel mit Templates

Neuartiger Ansatz hat das Potenzial, eine wichtige Rolle bei der Erforschung der letzten Grenzen von Nanomaterialien zu spielen

Nanopartikel (mit einer Größe von 3 bis 500 nm) und Sub-Nanocluster (mit einem Durchmesser von etwa 1 nm) werden in vielen Bereichen eingesetzt, z. B. in der Medizin, der Robotik, der Materialwissenschaft und dem Ingenieurwesen. Ihre geringe Größe und ihr großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen verleihen ihnen einzigartige Eigenschaften, die sie für eine Vielzahl von Anwendungen wertvoll machen, die von der Kontrolle der Umweltverschmutzung bis zur chemischen Synthese reichen.

In jüngster Zeit haben Quasi-Sub-Nanomaterialien mit einer Größe von etwa 1 bis 3 nm die Aufmerksamkeit auf sich gezogen, weil sie einen doppelten Charakter haben - sie können sowohl als Nanopartikel als auch als anorganische Moleküle betrachtet werden. Es ist verständlich, dass die Kontrolle der Anzahl der Atome in einem Quasi-Sub-Nanomaterial von großem Wert sein kann. Die Synthese solch präziser molekularer Strukturen ist jedoch eine technische Herausforderung - aber die Wissenschaftler der Tokyo Tech waren dieser Herausforderung gewachsen!

Dendrons - stark verzweigte Molekülstrukturen, die aus basischen Iminen bestehen - 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 mit bestimmten sauren Metallsalzen Komplexe bilden kann, wobei sich die Metalle an der Dendronstruktur anlagern. Diese wiederum können zu Metall-Sub-Nanoclustern mit der gewünschten Anzahl von Atomen reduziert werden. Die Synthese von Dendronen mit einem hohen Anteil an Iminen ist jedoch ein teurer Prozess mit geringer Ausbeute.

In einer in der Zeitschrift Angewandte Chemie veröffentlichten Studie erläutern die Forscher nun, wie sie mehrere Dendrimerstrukturen zu einer supramolekularen Kapsel aus mehr als 60 Iminen kombiniert haben. "Die Synthese der aus Dendrons zusammengesetzten Supramoleküle wurde durch die Verbindung von internen Kerneinheiten und externen Dendroneinheiten erreicht, die die zentrale Struktur bzw. die endständigen Verzweigungen 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 Dendrone mit Iminen enthielt. Die Wechselwirkung zwischen dem sauren Kern und der basischen Außenstruktur führte zu einem selbstorganisierenden Organokomplex.

Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Imine mit Rhodiumsalzen ko-akkumulieren, so dass die innersten Imine einen Komplex mit Tritylium-Einheiten bildeten, während die äußersten mit den Rhodiumsalzen besiedelt wurden. Das so entstandene Supramolekül mit einer inneren Kerneinheit, die von sechs äußeren Dendroneinheiten umgeben war (die jeweils 14 Rhodiumsalze an den äußeren Iminen enthielten), wurde erfolgreich zu Clustern mit 84 Rhodiumatomen und einer Größe von 1,5 nm kondensiert.

Indem sie Imin-haltige Dendrone an einen sauren Kern banden, konstruierten die Forscher eine supramolekulare Vorlage für die Synthese von Quasi-Sub-Nanomaterialien. Da die Imine außerdem Komplexe mit einer Vielzahl von kationischen Einheiten bilden können, kann die Methode zur Synthese einer Vielzahl supramolekularer Strukturen verwendet werden. Aufgrund ihrer Vielseitigkeit, Einfachheit und Kosteneffizienz kann die Methode ein Eckpfeiler für die Entwicklung neuer Nanomaterialien sein. "Dieser neuartige Ansatz zur Gewinnung von atomar definierten 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. In der Tat mag dies ein "kleiner" Schritt für Tokyo Tech sein, aber ein "großer" Schritt für die Nanowissenschaft!

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