25.02.2019 - University of Tokyo

"Schmetterlingsförmiger" Palladium-Subnano-Cluster, der in 3-D aufgebaut ist

Miniaturisierung ist das Schlagwort des Fortschritts. Die Nanowissenschaften - der Aufbau von Strukturen im Bereich weniger Atome - stehen seit geraumer Zeit an der Spitze der Chemie. Vor kurzem haben Forscher der Universität Tokio die neue Strategie entwickelt, um sub-nanogroße Metallaggregate zu konstruieren und kleine Metallcluster zu großartigeren 3-D-Architekturen aufzubauen. Ihre Arbeiten könnten einen echten industriellen Wert haben.

Die Nanochemie bietet eine Reihe von klassischen Designformen wie Würfel, Stäbe, Drähte und sogar "Nanoflocken", die alle aus Atomclustern bestehen. Das Team des Institute of Industrial Science (IIS) der Uni Tokio fertigt Nanoblätter aus dem Edelmetall Palladium (Pd). In einer neuen Studie haben sie diese 2-D-Bausteine in ein markantes 3-D-Design überführt.

Eine clevere Möglichkeit, Nanoblätter herzustellen, sind Schablonen - organische Moleküle, die als Gerüst für die Metallatome dienen. Über rein organische Templates hinaus konstruierte das IIS-Team aus einem Organosilizium, einem Molekül auf Basis von drei Siliziumatomen, eine gebogene oder "schmetterlingsförmige" Platte aus vier Pd-Atomen. Diese Metalle wurden durch die Bindung mit Benzolringen, die an den Silikonen baumeln, stabilisiert.

"Betrachtet man die Struktur des Pd4-Moleküls, so sahen wir das Potenzial, mehrere Blätter dieser Art durch chemische Linker miteinander zu verbinden", sagt Kento Shimamoto, Co-Autor der Studie. "Mit der richtigen Vorlage, so argumentierten wir, könnten wir die Dimensionalität unseres Clusters von einem 2D-Blatt in die dritte Dimension erweitern."

Der Aufbau stabiler Nanocluster, auch in 2D, ist nicht einfach - mangels geeigneter Template-Molklue, die die Metallspezies in die Nähe drängen. Durch den Einsatz von Brückenatomen wie Chlor können Metallzentren jedoch stabil miteinander verbunden werden, wobei ein komfortabler Abstand eingehalten wird. Die resultierenden Cluster haben oft einzigartige chemische Eigenschaften als Ergebnis von Metall-Metall-Interaktionen.

Das Team entschied sich daher für ein neues Organosilizium-Template, bei dem zwei Chloratome einen Teil der organischen Region ersetzen. Die Reaktion der Palladiumquelle mit dieser neuen Vorlage ergab kein 2D-Blatt, sondern einen 3D-Cluster mit sechs Pd-Atomen. Die Metalle bildeten anscheinend ein Paar Pd4-Tetraeder (die sich zwei Atome teilen), die durch Chlor überbrückt waren, was die Pd-Atome dazu zwang, sich nahe genug aneinander zu binden.

"3-D-Subnanocluster haben ein echtes Potenzial als Katalysatoren und funktionelle Materialien", sagt Hauptautor Yusuke Sunada. "Aber ihre Funktion hängt stark von der genauen Kontrolle ihrer Form ab. Organosilikone sind leicht verfügbar und bieten eine Plattform, um verschiedene Architekturen - die mehrere Cluster zu größeren Molekülen verbinden - auf industriell realisierbare Weise zu gestalten.

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