Le développement de nanomatériaux fonctionnels a été une étape majeure dans l'histoire de la science des matériaux. Les nanoparticules de diamètres allant de 5 à 500 nm ont des propriétés inédites, comme une activité catalytique élevée, par rapport à leurs homologues en vrac. De plus, à mesure que les particules deviennent plus petites, les phénomènes quantiques exotiques deviennent plus importants. Cela a permis aux scientifiques de produire des matériaux et des dispositifs avec des caractéristiques dont on ne faisait que rêver, notamment dans les domaines de l'électronique, catalyse, et optique.

Mais et si nous devenions plus petits ? Les sous-nanoparticules (SNP) avec des tailles de particules d'environ 1 nm sont maintenant considérées comme une nouvelle classe de matériaux avec des propriétés distinctes en raison de la prédominance des effets quantiques. Le potentiel inexploité des SNP a attiré l'attention des scientifiques de Tokyo Tech, qui relèvent actuellement les défis qui se posent dans ce domaine en grande partie inexploré. Dans une étude récente publiée dans le Journal de l'American Chemical Society , une équipe de scientifiques du Laboratoire de Chimie et Sciences de la Vie, dirigé par le Dr Takamasa Tsukamoto, a démontré une nouvelle approche de criblage moléculaire pour trouver des SNP prometteurs.

Comme on pouvait s'y attendre, la synthèse des SNP est en proie à des difficultés techniques, encore plus pour ceux contenant plusieurs éléments. Le Dr Tsukamoto explique :« Même les SNP contenant seulement deux éléments différents ont à peine été étudiés, car la production d'un système à l'échelle subnanométrique nécessite un contrôle fin du rapport de composition et de la taille des particules avec une précision atomique. Cependant, cette équipe de scientifiques avait déjà développé une nouvelle méthode par laquelle les SNP pouvaient être fabriqués à partir de différents sels métalliques avec un contrôle extrême sur le nombre total d'atomes et la proportion de chaque élément.

Leur approche repose sur des dendrimères (voir Figure 1), un type de molécule symétrique qui se ramifie radialement vers l'extérieur comme des arbres poussant forment un centre commun. Les dendrimères servent de gabarit sur lequel les sels métalliques peuvent être accumulés avec précision à la base des branches souhaitées. Ensuite, par réduction chimique et oxydation, Les SNP sont synthétisés avec précision sur l'échafaudage des dendrimères. Les scientifiques ont utilisé cette méthode dans leur étude la plus récente pour produire des SNP avec diverses proportions d'oxydes d'indium et d'étain, puis ont exploré leurs propriétés physico-chimiques.

Une découverte particulière était que des états électroniques inhabituels et une teneur en oxygène se produisaient à un rapport indium-étain de 3:4 (voir Figure 2). Ces résultats étaient sans précédent même dans les études de nanoparticules avec une taille et une composition contrôlées, et les scientifiques les attribuaient à des phénomènes physiques exclusifs à l'échelle sub-nanométrique. De plus, ils ont constaté que les propriétés optiques des SNP avec cette proportion élémentaire étaient différentes non seulement de celles des SNP avec d'autres ratios, mais aussi de nanoparticules avec le même ratio. Comme le montre la figure 3, les SNP avec ce rapport étaient jaunes au lieu de blancs et présentaient une photoluminescence verte sous irradiation ultraviolette.

L'exploration des propriétés des matériaux à l'échelle sub-nanométrique conduira très probablement à leur application pratique dans l'électronique et les catalyseurs de nouvelle génération. Cette étude, cependant, n'est qu'un début dans le domaine des matériaux sub-nanométriques, comme le conclut le Dr Tsukamoto :« Notre étude marque la toute première découverte de fonctions uniques dans les SNP et de leurs principes sous-jacents grâce à une recherche de criblage séquentiel. matériaux de taille." Le monde sub-nanométrique vous attend !