Des médicaments efficaces aux capteurs moléculaires en passant par les piles à combustible, les clusters métalliques deviennent fondamentalement utiles dans la santé, environnement, et les secteurs de l'énergie. Cette fonctionnalité diversifiée des clusters découle de la variabilité de la taille et du type. Maintenant, scientifiques dirigés par le professeur Yuichi Negishi, du Département de chimie appliquée de l'Université des sciences de Tokyo, ajouter à cette histoire en cours en expliquant la dynamique de l'alliage d'or-argent protégé par un thiolate en solution. Cela aide à comprendre la stabilité, géométrie, et la durabilité de ces clusters pour leurs applications.

Les amas métalliques se forment lorsque des atomes métalliques se réunissent pour former des amas, quelque part entre la taille d'une molécule et celle d'un solide en vrac. Récemment, ces grappes ont attiré beaucoup d'attention en raison de leurs diverses capacités chimiques qui dépendent de leur taille et de leur composition. Contrairement au fermé, ensemble, et un tassement stable observé dans les réseaux métalliques en vrac, la géométrie de ces amas, qui régit souvent aussi leur réactivité chimique, est basé sur des arrangements atomiques spéciaux qui minimisent l'énergie. Par ailleurs, leurs fonctionnalités varient en fonction du nombre d'atomes constitutifs de l'amas. Parce que ces facteurs au niveau micro régissent l'activité ultime au niveau macro des clusters, comprendre la dynamique des amas à l'échelle atomique est essentiel. L'exploration récente dans le domaine de ces amas métalliques a permis de cataloguer ces amas en tant que composés de compositions chimiques définies.

L'un de ces amas métalliques intéressants avec des propriétés catalytiques et une luminescence est l'amas d'alliage or-argent protégé par un thiolate. Ces amas métalliques se forment lorsque des amas individuels d'or et d'argent protégés par un thiolate sont maintenus ensemble dans une solution. Les clusters purs individuels subissent un échange de métaux, comme un "troc" chimique :un or contre un atome d'argent. Alors que la méthode de réaction complexe de métal en grappe (CMCR) est largement utilisée, la dynamique réelle de celui-ci et l'incitation énergétique à l'origine de tels processus ne sont pas comprises. C'est devenu le germe de la curiosité de l'équipe du professeur Negishi, comme ils le disent, "le comportement dynamique de ces amas en solution doit être pris en considération pour comprendre les origines de l'activité catalytique et les propriétés de luminescence des amas d'alliages or-argent en plus de la structure géométrique."

Pour éclairer le comportement d'échange métallique entre les clusters purs après synthèse, l'équipe a conçu une expérience basée sur la chromatographie en phase inverse. Ils se sont concentrés sur cette configuration car elle différencie les molécules en fonction de caractéristiques électroniques, c'est à dire., si la molécule est polaire (avec un centre simultanément positif et négatif) ou non polaire (sans séparation de charge).

L'utilisation de cette configuration s'est avérée utile car l'équipe a signalé que, En réalité, les isomères structuraux individuels (distribution spatiale et géométrique différente pour un amas donné) changent de solution même si la masse de l'amas reste inchangée. Cela indiquait qu'il y avait un échange intra-amas d'atomes métalliques, ce qui a changé l'état électronique du cluster même si la masse est restée la même. Ils ont également signalé qu'après la synthèse, avec le temps qui passe, la concentration de différents types structuraux d'alliages or-argent dans la solution a changé. Cela indiquait qu'il y avait également un échange de métaux inter-clusters en jeu. Dernièrement, les chercheurs ont également observé que l'échange de métaux inter-clusters se produit beaucoup plus fréquemment après la synthèse et finit par ralentir après une longue période de maintien. Ils ont attribué cela à la différence de stabilité et d'énergie entre les différentes structures. "Les géométries métastables formées initialement se convertissent probablement en géométries thermodynamiquement stables par échange de métaux inter-cluster (et intra-cluster) en solution, " explique le Pr Negishi.

Les scientifiques ont vérifié leurs affirmations sur la dynamique observée de la réaction complexe cluster-métal (CMCR) en effectuant une étude comparative avec la procédure de synthèse alternative. Depuis, les procédés traditionnels (Co-Réduction des Ions Métalliques) produisent des alliages dans des conditions sévères, seules les structures thermodynamiquement et énergétiquement favorables voient le jour. Ainsi, des structures majoritairement stables se forment, indiquant que l'échange de métaux est relativement supprimé. Cela s'opposait aux clusters formés par le CMCR où des signatures pour diverses espèces sont initialement observées. Tandis que le temps passe, comme toutes choses dans la nature, les espèces instables essaient de se réorganiser en espèces stables. Comment? Grâce à l'échange de métaux, bien sûr!

Résumer, Le professeur Negishi déclare, "Ces résultats démontrent que les amas d'alliages or-argent ont des structures géométriques (et des distributions) différentes immédiatement après la synthèse, selon la méthode de synthèse. Ainsi, leur comportement dynamique en solution dépend également de la méthode de synthèse."

L'étude des clusters avec des tailles et des compositions de noyaux variables est passionnante car elle offre des opportunités intéressantes pour exploiter de nouvelles propriétés physiques et chimiques. Mais ce n'est pas tout :il donne également un aperçu de leurs relations structure-propriété, presque comme jeter un coup d'œil dans la "vie sociale" des atomes.