納米團簇 (NC) 是通常以納米 (10-9 m) 尺度存在的晶體材料。它們由原子或分子與鈷、鎳、鐵和鉑等金屬結(jié)合而成，并在不同領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)了一些有趣的應(yīng)用，包括藥物輸送、催化和水凈化。NC 尺寸的減小可以釋放額外的潛力，從而實現(xiàn)單原子催化等過程。在這種背景下，有機分子與單個過渡金屬原子的配位顯示了該領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展的希望。

進(jìn)一步減小納米顆粒尺寸的創(chuàng)新方法是將金屬原子引入平面上的自組裝單層薄膜中。然而，必須謹(jǐn)慎行事，確保這些表面上金屬原子的排列不會破壞這些單層薄膜的有序性質(zhì)。現(xiàn)在，在《材料化學(xué)雜志 C》最近發(fā)表的一項研究中，千葉大學(xué)工程研究生院的 Toyo Kazu Yamada 博士、國立清華大學(xué)化學(xué)工程系的 Masaki Horie 以及來自清華大學(xué)化學(xué)工程系的 Satoshi Kera分子科學(xué)研究所和千葉大學(xué)工程研究生院的 Peter Krüger 展示了室溫下分子環(huán)陣列上鈷原子的表面生長。

與我們談?wù)撨@一進(jìn)步。山田博士說：“這種具有原子級精度的功能性納米團簇形成的先進(jìn)方法可用于高效催化劑的開發(fā)或量子計算。”

在這項研究中，研究小組使用了稱為“冠醚”的環(huán)形分子結(jié)構(gòu)，其中含有苯環(huán)和溴環(huán)。這些結(jié)構(gòu)用于在平坦的銅表面上捕獲和生長鈷NC。所得的鈷 NC 有兩種尺寸：1.5 nm 和 3.6 nm。為了進(jìn)一步了解它們的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，采用了各種技術(shù)，包括低溫掃描隧道顯微鏡和光譜學(xué)(STM 和 STS)、低能電子衍射(LEED)的角分辨光電子能譜(ARPES)和密度泛函理論( DFT)計算。

分析揭示了鈷原子可以附著的穩(wěn)定表面位點的形成。此外，發(fā)現(xiàn)這些穩(wěn)定表面位點的形成受到冠醚和鈷之間的電子雜化(混合)的影響。一旦鈷??原子被捕獲，它就像成核中心一樣，吸引其他鈷原子形成NC。此外，與溶液中冠醚分子的通常行為不同，這些分子不會將金屬原子捕獲在冠環(huán)中心。相反，金屬原子位于邊緣，因為該位置存在溴原子。在討論這些發(fā)現(xiàn)的長期潛力時，山田博士說：“這種方法在單原子催化、自旋電子介質(zhì)小型化和量子計算等應(yīng)用中的使用將有助于信息社會的發(fā)展一種減少二氧化碳(CO2)產(chǎn)生的方法。”

總之，該團隊通過利用銅表面二維冠醚分子的捕獲潛力，成功地演示了鈷NC的生長。冠醚分子的化學(xué)行為偏離了在溶液中觀察到的典型相互作用，因為鈷原子被捕獲在邊緣而不是中心。重要的是，該方法證明了在室溫下可以有效地大規(guī)模生產(chǎn)具有明確尺寸和形態(tài)的NC。