Tutkijat löysivät uuden tavan valmistaa toiminnallisia materiaaleja metalliklusterien polymeereistä
Klusterimateriaalit valmistettiin liuoksessa sekoittamalla kulta- ja hopeasuolaa sekä klustereiden kasvua rajoittavaa orgaanista ligandimolekyyliä (etynyyliadamantaani). Liuottimena käytettiin joko metanoli/kloroformi- tai metanoli/dikloorimetaani -seosta. Synteesi tuotti kummassakin liuottimessa atomirakenteeltaan täsmälleen samanlaisen 34 atomin klusterin, mutta metanoli/dikloorimetaani-liuoksessa klusterit polymerisoituivat muodostamalla metallli-metalli-sidoksia.
Polymerisoituneet klusteriketjut tuottivat noin hiuksen paksuisia yksittäiskidemateriaaleja. Niillä oli puolijohteen tapainen sähkönjohtavuus polymeeriketjun suunnassa, mutta ketjun poikkisuunnissa ne olivat sähköisiä eristeitä. Tämän käyttäytymisen syynä on se, että polymeeriketjut on eristetty toisistaan ligandimolekyyleillä mutta sähkönjohtavuus on mahdollista metalli-metalli-sidosten kautta polymeeriketjun suunnassa.
Syntyneiden polymeerikiteiden voidaan ajatella olevan kuten nipuksi pinottu suuri määrä eristeen ympäröimiä hyvin ohuita johtavia lankoja.
Supertietokone apuna nanomateriaalin tutkimisessa
Klusterimateriaalia tutkittiin laskennallisesti käyttäen tiheysfunktionaaliteoriaa. Simulaatiot ennustivat, että materiaalilla on 1.3 elektronivoltin suuruinen energia-aukko elektronisen perustilan ja ensimmäisen viritystilan välillä, mikä on tyypillinen arvo puolijohteelle. Optiset ja sähkönjohtavuusmittaukset vahvistivat teoreettisen tuloksen energia-aukon suuruudelle. Kiteiden sähkönjohtavuus testattiin transistorimittauksilla, jotka osoittivat materiaalin käyttäytyvän p-tyyppisen puolijohteen tavoin. Mittauksissa havaittiin noin 1800-kertainen suuntariippuva ero sähkönjohtavuudessa kiteen eri suunnissa.
”Yllätyimme siitä, että liuotinmolekyylin valinnalla oli niin suuri vaikutus klusterimateriaalin lopulliseen rakenteeseen ja ominaisuuksiin. Havaintomme oli todennäköisesti onnekas, mutta toivomme että tuloksemme näyttävät suuntaviivoja tulevaisuuden tutkimuksille, joissa halutaan suunnitella muita toiminnallisia nanorakenteisia materiaaleja”, kommentoi tutkimuksen kokeellista osaa johtanut professori Nanfeng Zheng Xiamenin yliopistosta.
”Tämä tutkimus toi esiin yhden mielenkiintoisen esimerkin siitä, kuinka nanomateriaalin makroskooppisia ominaisuuksia ja toiminnallisuutta voidaan lähteä muokkaamaan jo ”pohjalta-ylös” -valmistusvaiheessa. Tämän klusterimateriaalin teoreettinen tutkiminen oli laskennallisesti haastavaa, sillä meidän piti valmistaa varsin suuri laskentamalli, jotta pystyimme ottamaan huomioon polymeerisen klusterikiteen jaksollisuuden. Tässä hyödyimme paljon siitä, että pystyimme käyttämään simulaatioissa yhtä Euroopan suurinta supertietokonetta”, sanoo tutkimuksen teoreettista osaa johtanut akatemiaprofessori Hannu Häkkinen Jyväskylän yliopistosta.
Häkkisen tutkimusryhmästä yhteistyöhön osallistuivat myös tutkijakoulutettava Elli Selenius ja yliopistotutkija Sami Malola. Suomen Akatemia tuki Jyväskylässä tehtävää tutkimusta. Klusterimateriaalin teoreettisen tutkimuksen vaatimiin massiivisiin simulaatioihin käytettiin PRACE-organisaation myöntämää laskentaresurssia Barcelonan superlaskentakeskuksessa.
Linkki artikkeliin Nature Communications –julkaisussa 6. toukokuuta 2020:
Artikkelin tiedot: P. Yuan et al.: ”Solvent-mediated assembly of atom-precise gold–silver nanoclusters to semiconducting one-dimensional materials”, Nature Communications, 6.5.2020, DOI: 10.1038/s41467-020-16062-6
äپٴᲹ:
Hannu Häkkinen, Jyväskylän yliopisto, hannu.j.hakkinen@jyu.fi, +358 400 247 973
Yang Cao, Xiamenin yliopisto, yangcao@xmu.edu.cn
Nanfeng Zheng, Xiamenin yliopisto, nfzheng@xmu.edu.cn
Tiedottaja Tanja Heikkinen, tanja.s.heikkinen@jyu.fi, +358 50 581 8351
Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta
/science/fi
jyscience jyuscience jyscience