小而强大展示分子陷阱的精确纳米团簇形成

纳米团簇(NC)是通常以纳米尺度存在的晶体材料。它们由原子或分子与钴、镍、铁和铂等金属结合而成，并在不同领域发现了一些有趣的应用，包括药物输送、催化和水净化。

NC尺寸的减小可以释放额外的潜力，从而实现单原子催化等过程。在这种背景下，有机分子与单个过渡金属原子的配位显示了该领域进一步发展的希望。

进一步减小纳米颗粒尺寸的创新方法是将金属原子引入平面上的自组装单层薄膜中。然而，必须谨慎行事，确保这些表面上金属原子的排列不会破坏这些单层薄膜的有序性质。

现在，在《材料化学杂志C》最近发表的一项研究中，千叶大学工程研究生院的ToyoKazuYamada博士、国立清华大学化学工程系的MasakiHorie以及来自清华大学化学工程系的SatoshiKera分子科学研究所和千叶大学工程研究生院的PeterKrüger展示了室温下分子环阵列上钴原子的表面生长。

谈到这一进步，山田博士说：“这种具有原子级精度的功能性纳米团簇形成的先进方法可用于高效催化剂的开发或量子计算。”

在这项研究中，研究小组使用了称为“冠醚”的环形分子结构，其中含有苯环和溴环。这些结构用于在平坦的铜表面上捕获和生长钴NC。所得的钴NC有两种尺寸：1.5nm和3.6nm。为了进一步了解它们的性质和结构，采用了各种技术，包括低温扫描隧道显微镜和光谱学(STM和STS)、低能电子衍射(LEED)的角分辨光电子能谱(ARPES)和密度泛函理论(DFT)计算。

分析揭示了钴原子可以附着的稳定表面位点的形成。此外，发现这些稳定表面位点的形成受到冠醚和钴之间的电子杂化(混合)的影响。一旦钴​​原子被捕获，它就像成核中心一样，吸引其他钴原子形成NC。此外，与溶液中冠醚分子的通常行为不同，这些分子不会将金属原子捕获在冠环中心。相反，金属原子位于边缘，因为该位置存在溴原子。

在讨论这些发现的长期潜力时，山田博士说：“这种方法在单原子催化、自旋电子介质小型化和量子计算等应用中的使用将有助于信息社会的发展一种减少二氧化碳(CO2)产生的方法。”

总之，该团队通过利用铜表面二维冠醚分子的捕获潜力，成功地证明了钴NC的生长。冠醚分子的化学行为偏离了在溶液中观察到的典型相互作用，因为钴原子被捕获在边缘而不是中心。重要的是，该方法证明了在室温下可以有效地大规模生产具有明确尺寸和形态的NC。