Erforschung der ungewöhnlichen elektronischen Zustände und optischen Eigenschaften von Materialien in Quantengröße.

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Wissenschaftler am Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) synthetisieren Sub-Nanometer-Partikel mit genau kontrollierten Anteilen von Indium und Zinn unter Verwendung spezifischer makromolekularer Schablonen, Dendrimere genannt. Durch einen Siebvorgang, der sich über verschiedene metallische Verhältnisse erstreckt, entdeckten sie ungewöhnliche elektronische Zustände und optische Eigenschaften, die auf Größenminiaturisierung und Elementarhybridisierung zurückzuführen sind. Ihr Ansatz könnte ein erster Schritt in der Entwicklung von Sub-Nanopartikeln mit einzigartigen Funktionalitäten und Eigenschaften für elektronische, magnetische und katalytische Anwendungen sein.

Die Entwicklung von funktionellen Nanomaterialien ist ein wichtiger Meilenstein in der Geschichte der Materialwissenschaft. Nanopartikel mit Durchmessern von 5 bis 500 nm haben im Vergleich zu ihren Pendants in der Masse beispiellose Eigenschaften, wie z.B. eine hohe katalytische Aktivität. Darüber hinaus treten in dem Maße, wie die Teilchen kleiner werden, exotische Quantenphänomene stärker in den Vordergrund. Dies hat es den Wissenschaftlern ermöglicht, Materialien und Geräte mit Eigenschaften herzustellen, von denen man bisher nur träumen konnte, insbesondere in den Bereichen Elektronik, Katalyse und Optik.

Was aber, wenn wir kleiner werden? Sub-Nanopartikel (SNPs) mit Teilchengrössen um 1 nm gelten heute als eine neue Klasse von Materialien mit besonderen Eigenschaften, die auf das Vorherrschen von Quanteneffekten zurückzuführen sind. Das unausgeschöpfte Potenzial der SNPs hat die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler von Tokyo Tech erregt, die sich derzeit den Herausforderungen stellen, die sich auf diesem weitgehend unerforschten Gebiet ergeben. In einer kürzlich im Journal of the American Chemical Society veröffentlichten Studie demonstrierte ein Team von Wissenschaftlern des Labors für Chemie und Biowissenschaften unter der Leitung von Dr. Takamasa Tsukamoto einen neuartigen molekularen Screening-Ansatz, um vielversprechende SNPs zu finden.

Wie nicht anders zu erwarten, ist die Synthese von SNPs mit technischen Schwierigkeiten behaftet, umso mehr bei solchen, die mehrere Elemente enthalten. Dr. Tsukamoto erklärt: “Sogar SNPs, die nur zwei verschiedene Elemente enthalten, sind kaum untersucht worden, weil die Herstellung eines Systems im Subnanometerbereich eine feine Kontrolle des Zusammensetzungsverhältnisses und der Partikelgröße mit atomarer Präzision erfordert. Dieses Wissenschaftlerteam hatte jedoch bereits eine neuartige Methode entwickelt, mit der SNPs aus verschiedenen Metallsalzen mit extremer Kontrolle über die Gesamtzahl der Atome und den Anteil jedes Elements hergestellt werden konnten.

Ihr Ansatz stützt sich auf Dendrimere (siehe Abbildung 1), eine Art symmetrisches Molekül, das sich radial nach außen verzweigt, wie Bäume, die aus einem gemeinsamen Zentrum sprießen. Dendrimere dienen als Schablone, auf der Metallsalze an der Basis der gewünschten Äste akkurat akkumuliert werden können. Anschliessend werden durch chemische Reduktion und Oxidation SNPs auf dem Dendrimer-Gerüst präzise synthetisiert. Die Wissenschaftler verwendeten diese Methode in ihrer jüngsten Studie zur Herstellung von SNPs mit verschiedenen Anteilen von Indium- und Zinnoxiden und untersuchten dann ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften.

Ein merkwürdiges Ergebnis war, dass ungewöhnliche elektronische Zustände und Sauerstoffgehalte bei einem Indium-Zinn-Verhältnis von 3:4 auftraten (siehe Abbildung 2). Diese Ergebnisse waren selbst bei Studien von Nanopartikeln mit kontrollierter Größe und Zusammensetzung beispiellos, und die Wissenschaftler führten sie auf physikalische Phänomene zurück, die ausschließlich auf der Sub-Nanometer-Skala lagen. Darüber hinaus stellten sie fest, dass sich die optischen Eigenschaften von SNPs mit diesem Elementaranteil nicht nur von denen von SNPs mit anderen Verhältnissen, sondern auch von Nanopartikeln mit dem gleichen Verhältnis unterschieden. Wie in Abbildung 3 dargestellt, waren die SNPs mit diesem Verhältnis gelb statt weiss und zeigten unter ultravioletter Bestrahlung eine grüne Photolumineszenz.

Die Erforschung von Materialeigenschaften auf der Sub-Nanometer-Skala wird höchstwahrscheinlich zu ihrer praktischen Anwendung in Elektronik und Katalysatoren der nächsten Generation führen. Diese Studie ist jedoch erst der Anfang auf dem Gebiet der Sub-Nanometer-Materialien, wie Dr. Tsukamoto abschließend feststellt: “Unsere Studie markiert die allererste Entdeckung einzigartiger Funktionen in SNPs und der ihnen zugrunde liegenden Prinzipien durch eine sequentielle Screening-Suche. Wir glauben, dass unsere Ergebnisse als erster Schritt zur Entwicklung bisher unbekannter Materialien in Quantengröße dienen werden”. Die subnanometrische Welt wartet!

Referenz: “Quantum Materials Exploration by Sequential Screening Technique of Heteroatomicity” von Takamasa Tsukamoto, Akiyoshi Kuzume, Masanari Nagasaka, Tetsuya Kambe und Kimihisa Yamamoto, 8. September 2020, Journal of the American Chemical Society.
DOI: 10.1021/jacs.0c06653.

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