Les nanoclusters (NC) sont des matériaux cristallins qui existent généralement à l'échelle nanométrique. Ils sont composés d'atomes ou de molécules en combinaison avec des métaux comme le cobalt, le nickel, le fer et le platine, et ont trouvé plusieurs applications intéressantes dans divers domaines, notamment l'administration de médicaments, la catalyse et la purification de l'eau.
Une réduction de la taille des NC peut libérer un potentiel supplémentaire, permettant des processus tels que la catalyse à un seul atome. Dans ce contexte, la coordination de molécules organiques avec des atomes individuels de métaux de transition semble prometteuse pour de nouveaux progrès dans ce domaine.
Une approche innovante pour réduire davantage la taille des NC consiste à introduire des atomes métalliques dans des films monocouches auto-assemblés sur des surfaces planes. Cependant, il est crucial de faire preuve de prudence et de s'assurer que la disposition des atomes métalliques sur ces surfaces ne perturbe pas la nature ordonnée de ces films monocouches.
Désormais, dans une étude récente publiée dans le Journal of Materials Chemistry C , le Dr Toyo Kazu Yamada de l'École supérieure d'ingénierie de l'Université de Chiba, ainsi que Masaki Horie du Département de génie chimique de l'Université nationale Tsing Hua, Satoshi Kera de l'Institut des sciences moléculaires et Peter Krüger également de l'École supérieure de Les ingénieurs de l'Université de Chiba ont montré la croissance superficielle d'atomes de cobalt sur des réseaux d'anneaux moléculaires à température ambiante.
Parlant de cette avancée, le Dr Yamada déclare :"Cette méthode avancée de formation de nanoclusters fonctionnels avec une précision à l'échelle atomique peut être utilisée dans le développement de catalyseurs hautement efficaces ou dans l'informatique quantique."
Dans l’étude, l’équipe a utilisé des structures moléculaires en forme d’anneaux appelées « éthers couronnes », qui contiennent des anneaux de benzène et de brome. Ces structures ont été utilisées pour piéger et faire croître des NC de cobalt sur des surfaces planes en cuivre. Les NC de cobalt résultants étaient de deux tailles, 1,5 nm et 3,6 nm. Pour mieux comprendre leurs propriétés et leur structure, diverses techniques ont été utilisées, notamment la microscopie et la spectroscopie à effet tunnel à basse température (STM et STS), la spectroscopie photoélectronique à résolution angulaire (ARPES) avec diffraction électronique à basse énergie (LEED) et la théorie fonctionnelle de la densité ( DFT).
L’analyse a révélé la formation de sites de surface stables auxquels les atomes de cobalt pourraient s’attacher. De plus, la formation de ces sites de surface stables s’est avérée influencée par l’hybridation électronique (mélange) entre les éthers-couronnes et le cobalt. Une fois piégé, l’atome de cobalt a agi comme un centre de nucléation, attirant d’autres atomes de cobalt pour former un NC. De plus, contrairement au comportement habituel des molécules d’éther couronne en solution, ces molécules n’ont pas piégé l’atome métallique au centre de l’anneau couronne. Au lieu de cela, l'atome de métal était au bord, en raison de la présence d'atomes de brome à cet endroit.
Discutant du potentiel à long terme de ces découvertes, le Dr Yamada déclare :« L'utilisation de cette approche dans des applications telles que la catalyse à atome unique, la miniaturisation des supports spintroniques et l'informatique quantique contribuera au développement d'une société basée sur l'information dans une manière de réduire le dioxyde de carbone (CO2 ) production."
En résumé, l’équipe a démontré avec succès la croissance des NC du cobalt en exploitant le potentiel de piégeage des molécules d’éther couronne bidimensionnelles sur une surface de cuivre. Le comportement chimique des molécules d’éther couronne s’écartait des interactions typiques observées en solution, en piégeant les atomes de cobalt au bord et non au centre. Il est important de noter que la méthode a démontré une production efficace et à grande échelle de NC avec une taille et une morphologie bien définies à température ambiante.
Plus d'informations : Toyo Kazu Yamada et al, Croissance en surface de nanoclusters de cobalt de métaux de transition à l'aide d'un réseau couronne-éther 2D, Journal of Materials Chemistry C (2023). DOI :10.1039/D3TC03339B
Fourni par l'Université de Chiba
