Des scientifiques de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) ont développé une nouvelle méthodologie qui permet aux chercheurs d'évaluer la composition chimique et la structure des particules métalliques d'un diamètre de seulement 0,5 à 2 nm. Cette percée dans les techniques analytiques permettra le développement et l'application de minuscules matériaux dans les domaines de l'électronique, biomédecine, chimie, et plus.

L'étude et le développement de nouveaux matériaux ont permis d'innombrables percées technologiques et sont essentiels dans la plupart des domaines scientifiques, de la médecine et de la bio-ingénierie à l'électronique de pointe. La conception et l'analyse rationnelles de matériaux innovants à l'échelle nanoscopique nous permettent de repousser les limites des dispositifs et méthodologies précédents pour atteindre des niveaux d'efficacité sans précédent et de nouvelles capacités. C'est le cas des nanoparticules métalliques, qui sont actuellement à l'honneur de la recherche moderne en raison de leurs innombrables applications potentielles. Une méthode de synthèse récemment développée utilisant des molécules de dendrimères comme modèle permet aux chercheurs de créer des nanocristaux métalliques d'un diamètre de 0,5 à 2 nm (milliardièmes de mètre). Ces particules incroyablement petites, appelés « sous-nano clusters » (SNC), ont des propriétés très distinctives, comme étant d'excellents catalyseurs pour les réactions (électro)chimiques et présentant des phénomènes quantiques particuliers qui sont très sensibles aux changements du nombre d'atomes constitutifs des amas.

Malheureusement, les méthodes analytiques existantes pour étudier la structure des matériaux et des particules à l'échelle nanométrique ne sont pas adaptées à la détection SNC. Une telle méthode, appelée spectroscopie Raman, consiste à irradier un échantillon avec un laser et à analyser les spectres diffusés résultants pour obtenir une empreinte moléculaire ou un profil des composants possibles du matériau. Bien que la spectroscopie Raman traditionnelle et ses variantes aient été des outils précieux pour les chercheurs, ils ne peuvent toujours pas être utilisés pour les SNC en raison de leur faible sensibilité. Par conséquent, une équipe de recherche de Tokyo Tech, dont le Dr Akiyoshi Kuzume, Pr Kimihisa Yamamoto et ses collègues, ont étudié un moyen d'améliorer les mesures de spectroscopie Raman et de les rendre compétentes pour l'analyse SNC (Figure).

Un type particulier d'approche de spectroscopie Raman est appelé spectroscopie Raman à surface améliorée. Dans sa variante plus raffinée, des nanoparticules d'or et/ou d'argent enfermées dans une fine coque de silice inerte sont ajoutées à l'échantillon pour amplifier les signaux optiques et ainsi augmenter la sensibilité de la technique. L'équipe de recherche s'est d'abord concentrée sur la détermination théorique de leur taille et de leur composition optimales, où les amplificateurs optiques en argent de 100 nm (presque deux fois la taille couramment utilisée) peuvent considérablement amplifier les signaux des SNC collés à la coque de silice poreuse. "Cette technique spectroscopique génère sélectivement des signaux Raman de substances proches de la surface des amplificateurs optiques, " explique le professeur Yamamoto. Pour mettre ces résultats à l'épreuve, ils ont mesuré les spectres Raman des SNC d'oxyde d'étain pour voir s'ils pouvaient trouver une explication dans leur composition structurelle ou chimique pour leur activité catalytique inexplicablement élevée dans certaines réactions chimiques. En comparant leurs mesures Raman avec des simulations structurelles et des analyses théoriques, ils ont trouvé de nouvelles informations sur la structure des SNC d'oxyde d'étain, expliquant l'origine de l'activité catalytique spécifique dépendante de l'atomicité des SNC d'oxyde d'étain.

La méthodologie employée dans cette recherche pourrait avoir un grand impact sur le développement de meilleures techniques analytiques et de la science à l'échelle subnano. "Une compréhension détaillée de la nature physique et chimique des substances facilite la conception rationnelle de sous-nanomatériaux pour des applications pratiques. Des méthodes spectroscopiques hautement sensibles accéléreront l'innovation matérielle et favoriseront la sous-nanoscience en tant que domaine de recherche interdisciplinaire, " conclut le professeur Yamamoto. Des avancées telles que celle présentée par cette équipe de recherche seront essentielles pour élargir le champ d'application des sous-nanomatériaux dans divers domaines, notamment les biocapteurs, électronique, et catalyseurs.

L'étude est publiée dans Avancées scientifiques .