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金属ナノクラスターの驚くべき旅: 金属ナノクラスターはどのように形成されるのでしょうか?
金属ナノクラスターは通常 0 ～ 2 ナノメートルのスケール範囲で存在し、原子的に正確な結晶構造を持ち、半導体や金属ナノ結晶などのより大きな材料の合成における速度論的に安定した中間体です。ナノクラスターに関する研究は、主にその結晶構造の特徴付けと、より大きな材料の核生成および成長メカニズムにおける役割に焦点を当ててきましたが、この材料の形成プロセスは驚きに満ちています。
金属ナノクラスターは、原子とナノ粒子の間の架け橋であると考えられており、そのサイズがさらに小さくなると、そのエネルギーバンド構造は不連続になり、個別のエネルギーレベルに分解され、ナノクラスターは単一分子と同様の特性を示します。 。
ナノクラスターの歴史
ナノクラスターの歴史は、フラーレン (C60) などの安定したナノクラスターが存在した可能性がある宇宙初期にまで遡ることができます。 1930 年代に発見された最初のナノクラスターイオンは、金属間化合物である Zintl 相でした。 1950 年代から 1960 年代にかけて、科学者は低温で強力な分子線によってナノクラスターを生成するという意識的なナノクラスターの形成を試み始め、レーザー蒸発技術の開発により、周期表のほぼすべての元素のナノクラスターを形成することが可能になりました。 。
金属ナノクラスターのサイズと原子番号
有名な数理物理学者久保良悟の理論によれば、エネルギー準位間隔は次の式で予測できます: δ = E_F/N、ここで EF はフェルミ エネルギー、N はフェルミ エネルギーです。原子の数。これは、ナノクラスターの量子閉じ込めにより、その特性がより大きな材料とは大きく異なることを意味します。
安定性
ナノクラスターの安定性は、原子の数、価電子の数、およびコーティングの構造に関係します。 1990 年代に、ハルらは、金属ナノクラスターの特定の塊が魔法のクラスターに似た安定性を持ち、これらのクラスター内の原子の数が原子殻の閉鎖に対応していることを発見しました。たとえば、Au25(SR)18 などの特定の硫黄化合物の金ナノクラスターも魔法数安定性を示します。
ハルとブラックの研究結果は、適切な数の価電子を持つナノクラスターは多くの場合安定であり、その安定性は価電子と原子軌道の殻閉合理論によって説明できることを示しています。
合成と安定化
ソリッドステートメディア
ナノ クラスターは、レーザー蒸発、ガス凝集などのさまざまな方法で合成できます。これらの方法にはそれぞれ独自の特徴がありますが、共通の目標は高純度で安定したナノクラスターを作成することです。レーザー蒸発法は、パルスレーザーを使用して金属棒を気相中に蒸発させ、その後冷却ガスによってクラスターの形成を促進します。
水性媒体
水相における金属ナノクラスターの合成は、通常、金属イオンをゼロ価の状態に還元するステップと、ナノクラスターを安定化するステップの 2 つのステップに分けられます。不安定な金属ナノクラスターは相互作用により凝集して、より大きな粒子を形成する可能性があります。
一般的な還元方法には、化学還元、電気化学還元、および光還元が含まれます。たとえば、化学還元では銀イオンを還元するために水素化ホウ素ナトリウムが使用されます。
機能
磁気特性
ナノクラスター内の原子はほとんどが表面原子であるため、その磁気モーメントはバルク材料よりも大きくなります。ナノクラスターのサイズと構造は磁気特性に大きな影響を与える可能性があり、一部の本質的にパラメトリックな金属がナノスケールで異なる磁気挙動を示す原因になります。
光学特性
ナノクラスターの光学特性は、その電子構造とエネルギーギャップに依存しており、これによりナノクラスターはバイオイメージングや触媒などのさまざまな用途で独自の特性を示すことができます。ナノクラスターのサイズが変化すると、それらの光学特性も変化します。
アプリケーション
ナノクラスターは、その独特な光学的、電気的、磁気的、反応的特性により、複数の分野で幅広い応用の可能性を秘めています。例えば、ナノクラスターは、バイオイメージングや細胞標識において、生体適合性や明るい発光において利点があることが実証されています。さらに、ナノクラスターは、水中の銅や水銀などの汚染物質を感知および検出するために使用できます。ナノクラスターの開発により、これらの材料は光データストレージにも応用できるようになります。
金属ナノクラスターの形成と特性を理解した後、将来のテクノロジーはその応用分野をどのようにさらに拡大するのでしょうか?
