Изучение и разработка новых материалов сделали возможным бесчисленное множество технологических прорывов и имеют важное значение во многих областях науки, от медицины и биоинженерии до передовой электроники. Рациональный дизайн и анализ инновационных материалов в наноскопических масштабах позволяют нам преодолевать ограничения предыдущих устройств и методологий, чтобы достичь беспрецедентного уровня эффективности и новых возможностей. Так обстоит дело с металлическими наночастицами, которые в настоящее время находятся в центре внимания современных исследований из-за их бесчисленных потенциальных применений. Недавно разработанный метод синтеза с использованием молекул дендримеров в качестве шаблона позволяет исследователям создавать металлические нанокристаллы с диаметром 0.От 5 до 2 нм (миллиардные доли метра).
Эти невероятно маленькие частицы, называемые «субнано-кластеры» (SNC), обладают очень отличительными свойствами, например, являются отличными катализаторами (электро) химических реакций и демонстрируют своеобразные квантовые явления, которые очень чувствительны к изменениям числа атомов, составляющих кластеры.
К сожалению, существующие аналитические методы исследования структуры наноразмерных материалов и частиц не подходят для обнаружения SNC. Один из таких методов, называемый рамановской спектроскопией, состоит из облучения образца лазером и анализа результирующих спектров рассеяния для получения молекулярного отпечатка пальца или профиля возможных компонентов материала.
Хотя традиционная рамановская спектроскопия и ее варианты были бесценными инструментами для исследователей, они по-прежнему не могут использоваться для SNC из-за их низкой чувствительности. Таким образом, исследовательская группа из Tokyo Tech, включая доктора.
Акиёси Кузуме, профессор. Кимихиса Ямамото и его коллеги изучали способ улучшить измерения спектроскопии комбинационного рассеяния и сделать их пригодными для анализа SNC.
Один конкретный тип подхода к спектроскопии комбинационного рассеяния называется спектроскопией комбинационного рассеяния с усилением поверхности. В более совершенном варианте наночастицы золота и / или серебра, заключенные в инертную тонкую оболочку из диоксида кремния, добавляются к образцу для усиления оптических сигналов и, таким образом, увеличения чувствительности метода.
Исследовательская группа сначала сосредоточилась на теоретическом определении их оптимального размера и состава, при котором 100-нм серебряные оптические усилители (почти в два раза превышающие обычно используемые размеры) могут значительно усилить сигналы SNC, прикрепленных к пористой кварцевой оболочке. «Этот спектроскопический метод выборочно генерирует сигналы комбинационного рассеяния веществ, находящихся в непосредственной близости от поверхности оптических усилителей», – поясняет проф. Ямамото. Чтобы проверить эти результаты, они измерили рамановские спектры SNC из оксида олова, чтобы увидеть, могут ли они найти объяснение в их структурном или химическом составе их необъяснимо высокой каталитической активности в определенных химических реакциях.
Сравнивая свои рамановские измерения со структурным моделированием и теоретическим анализом, они обнаружили новое понимание структуры SNC оксида олова, объясняя происхождение зависящей от атомарности специфической каталитической активности SNC оксида олова.
Методология, использованная в этом исследовании, может оказать большое влияние на развитие более совершенных аналитических методов и субнаноуровневой науки. «Детальное понимание физической и химической природы веществ способствует рациональному проектированию субнаноматериалов для практического применения.
Высокочувствительные спектроскопические методы ускорят создание инновационных материалов и продвинут субнанауку как междисциплинарную область исследований », – заключает проф. Ямамото.
Такие прорывы, как то, что представила эта исследовательская группа, будут иметь важное значение для расширения возможностей применения субнаноматериалов в различных областях, включая биосенсоры, электронику и катализаторы.