Wachstum kristalliner Materialien im Nanometerbereich

May 01, 2023

Erste Einblicke in den technischen Kristall Wachstum durch atomar präzise Metallnanocluster wurden in einer Studie von Forschern in Singapur, Saudi-Arabien und Finnland erreicht. Die Arbeit wurde in Nature Chemistry veröffentlicht.

Gewöhnliche feste Materie besteht aus Atomen, die in einem Kristallgitter angeordnet sind. Der chemische Charakter der Atome und die Gittersymmetrie bestimmen die Eigenschaften der Materie, beispielsweise ob es sich um ein Metall, einen Halbleiter oder einen elektrischen Isolator handelt. Die Gittersymmetrie kann durch Umgebungsbedingungen wie Temperatur oder hohen Druck verändert werden, was zu Strukturübergängen führen und sogar einen elektrischen Isolator in einen elektrischen Leiter, also ein Metall, verwandeln kann.

Größere identische Einheiten wie Nanopartikel oder atomar präzise Metallnanocluster können sich auch in einem Kristallgitter organisieren und sogenannte Metamaterialien bilden. Es liegen jedoch nur wenige Informationen darüber vor, wie das Wachstum solcher Materialien aus ihren Bausteinen gesteuert werden kann, da das Kristallwachstum ein typischer Selbstorganisationsprozess ist.

Nun wurden in einer Studie von Forschern in Singapur, Saudi-Arabien und Finnland erste Einblicke in das technische Kristallwachstum durch atomar präzise Metallnanocluster gewonnen. Sie synthetisierten Metallcluster, die aus nur 25 Goldatomen mit einem Durchmesser von einem Nanometer bestanden. Diese Cluster sind aufgrund der Ligandenmoleküle, die das Gold schützen, wasserlöslich. Es ist bekannt, dass dieses Clustermaterial sich selbst zu wohldefinierten, dicht gepackten Einkristallen zusammensetzt, wenn das Wasserlösungsmittel verdampft wird. Der Forscher fand jedoch ein neuartiges Konzept zur Regulierung des Kristallwachstums durch Zugabe von Tetra-Alkyl-Ammonium-Molekülionen zum Lösungsmittel. Diese Ionen beeinflussen die Oberflächenchemie der Goldcluster, und es wurde beobachtet, dass ihre Größe und Konzentration einen Einfluss auf die Größe, Form und Morphologie der gebildeten Kristalle haben. Bemerkenswerterweise zeigten hochauflösende elektronenmikroskopische Bilder einiger Kristalle, dass sie aus polymeren Clusterketten mit interpartikulären Bindungen aus vier Goldatomen bestehen. Die demonstrierte Oberflächenchemie eröffnet nun neue Möglichkeiten zur Entwicklung metallclusterbasierter Metamaterialien zur Untersuchung ihrer elektronischen und optischen Eigenschaften.

- Diese Pressemitteilung wurde ursprünglich auf der Website der Universität Jyväskylä veröffentlicht