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L'affascinante viaggio dei nanocluster metallici: come si formano?
I nanocluster metallici, che in genere esistono su una scala da 0 a 2 nanometri, hanno strutture cristalline atomicamente precise e sono intermedi cineticamente stabili nella sintesi di materiali più grandi come semiconduttori e nanocristalli metallici. Sebbene lo studio dei nanocluster si sia concentrato principalmente sulla caratterizzazione della loro struttura cristallina e sul loro ruolo nei meccanismi di nucleazione e crescita di materiali di grandi dimensioni, il processo di formazione di tali materiali è pieno di sorprese.
I nanocluster metallici sono considerati il ponte tra atomi e nanoparticelle. Quando le loro dimensioni vengono ulteriormente ridotte, la loro struttura a bande diventa discontinua e si decompone in livelli energetici discreti, il che fa sì che i nanocluster mostrino proprietà simili a quelle di una singola molecola.
Storia del Nanocluster
La storia dei nanocluster può essere fatta risalire all'universo primordiale, quando probabilmente esistevano nanocluster stabili come il fullerene (C60). Negli anni '30 furono scoperti i primi ioni nanoclusterizzati nella fase Zintl, un composto intermetallico. Dagli anni '50 agli anni '60, gli scienziati hanno iniziato a provare a formare consapevolmente nanocluster utilizzando potenti fasci molecolari a basse temperature. Lo sviluppo della tecnologia di vaporizzazione laser ha reso possibile la formazione di nanocluster di quasi tutti gli elementi della tavola periodica. Creato.
Dimensioni e numero di atomi nei nanocluster metallici
Secondo la teoria del famoso fisico matematico Ryogo Kubo, la spaziatura dei livelli energetici può essere prevista dalla seguente formula: δ = E_F/N, dove EF è l'energia di Fermi e N è l' numero di atomi. Ciò suggerisce che il confinamento quantistico dei nanocluster rende le loro proprietà molto diverse da quelle dei materiali più grandi.
Stabilità
La stabilità dei nanocluster è correlata al loro numero atomico, al numero di elettroni di valenza e alla struttura del rivestimento. Negli anni '90, Hull et al. scoprirono che alcuni nanocluster metallici possiedono una certa qualità stabile, simile ai cluster magici, e che il numero di atomi in questi cluster corrisponde alla chiusura dei loro gusci atomici. Ad esempio, anche i nanocluster d'oro di alcuni composti contenenti zolfo come Au25(SR)18 mostrano una stabilità pari al numero magico.
I risultati della ricerca di Hull e Black dimostrano che i nanocluster con il giusto numero di elettroni di valenza sono spesso stabili e la loro stabilità può essere spiegata dalla teoria della chiusura del guscio degli elettroni di valenza e degli orbitali atomici.
Sintesi e stabilizzazione
Supporti allo stato solido
I nanocluster possono essere sintetizzati con vari metodi, come la vaporizzazione laser, l'aggregazione di gas, ecc. Questi metodi hanno caratteristiche proprie, ma il loro obiettivo comune è creare nanocluster stabili e ad elevata purezza. La vaporizzazione laser utilizza un laser pulsato per far evaporare una barra metallica nella fase gassosa e poi favorisce la formazione di cluster tramite il raffreddamento del gas.
Mezzo acquoso
In fase acquosa, la sintesi di nanocluster metallici è generalmente divisa in due fasi: riduzione degli ioni metallici allo stato zerovalente e stabilizzazione dei nanocluster. I nanocluster metallici non stabilizzati si aggregano a causa delle interazioni, formando particelle più grandi.
I metodi di riduzione comuni includono la riduzione chimica, la riduzione elettrochimica e la fotoriduzione. La riduzione chimica, ad esempio, utilizza il boroidruro di sodio per ridurre gli ioni d'argento.
Caratteristiche
Proprietà magnetiche
La maggior parte degli atomi in un nanocluster sono atomi di superficie, quindi i loro momenti magnetici sono maggiori di quelli dei materiali in massa. Le dimensioni e la struttura dei nanocluster possono influenzare significativamente le loro proprietà magnetiche, facendo sì che alcuni metalli intrinsecamente parametrici mostrino comportamenti magnetici diversi sulla scala nanometrica.
Proprietà ottiche
Le proprietà ottiche dei nanocluster dipendono dalla loro struttura elettronica e dal gap energetico, il che fa sì che i nanocluster mostrino prestazioni uniche in varie applicazioni come la bioimmagine e la catalisi. Man mano che le dimensioni dei nanocluster cambiano, cambiano anche le loro proprietà ottiche.
Applicazioni
Grazie alle loro proprietà ottiche, elettriche, magnetiche e reattive uniche, i nanocluster hanno ampie prospettive di applicazione in molti campi. Ad esempio, i nanocluster hanno dimostrato i vantaggi della loro biocompatibilità e della loro brillante emissione di luce nella bioimmagine e nella marcatura cellulare. Inoltre, i nanocluster possono essere utilizzati per rilevare e rilevare inquinanti come rame e mercurio nell'acqua. E con lo sviluppo dei nanocluster, questi materiali potrebbero addirittura essere utilizzati per l'archiviazione ottica dei dati.
Ora che conosciamo la formazione e le proprietà dei nanocluster metallici, in che modo le tecnologie future amplieranno ulteriormente i loro campi di applicazione?
