Structure et propriétés optiques d'un nanocluster Ag135Cu60 incorporant une topologie de type Buckminsterfullerène Ag135
Les nanoclusters métalliques (metal nanoclusters) sont des matériaux à l’échelle nanométrique qui se situent entre les molécules et les métaux, possédant des propriétés physico-chimiques uniques, jouant un rôle crucial dans l’étude de la relation entre la structure atomique et les propriétés physiques. Ces dernières années, les chercheurs ont manifesté un vif intérêt pour les nanoclusters métalliques protégés par des ligands organiques, en raison de leur structure atomique précise, de leurs caractéristiques géométriques fascinantes et de leurs applications potentielles. En particulier, les nanoclusters métalliques multicouches avec une topologie de type fullerène, en raison de leur haute symétrie et stabilité, sont devenus un sujet de recherche brûlant. Cependant, les structures de fullerène composées d’éléments non carbonés sont souvent difficiles à synthétiser en raison de problèmes de stabilité, ce qui a ralenti les progrès dans ce domaine.
Cette étude vise à résoudre ce problème en synthétisant un nouveau nanocluster argent-cuivre Ag135Cu60, en explorant sa structure et ses propriétés optiques, et en révélant sa valeur potentielle dans les domaines de la nanosciences et de la science des matériaux. Ce cluster possède une topologie similaire à celle du Buckminsterfullerène, fournissant un nouveau support expérimental pour étudier la relation entre la structure des nanoclusters métalliques et l’état métallique.
Source de l’article
Cet article a été rédigé conjointement par Li Tang, Weinan Dong, Qikai Han, Bin Wang, Zhennan Wu et Shuxin Wang. L’équipe de recherche est affiliée au College of Chemistry and Molecular Engineering et au College of Materials Science and Engineering de l’Université des sciences et technologies de Qingdao, ainsi qu’au College of Electronic Science and Engineering de l’Université de Jilin, en Chine. L’article a été publié en avril 2025 dans la revue Nature Synthesis, sous le titre Structure and optical properties of an Ag135Cu60 nanocluster incorporating an Ag135 Buckminsterfullerene-like topology.
Processus de recherche
1. Synthèse et caractérisation
Le nanocluster Ag135Cu60 a été synthétisé en utilisant la méthode dite “one-pot”. Les étapes spécifiques sont les suivantes :
1. Préparation des réactifs : Dissolution de 4-CH3C6H4SO3Ag, CuCl2·2H2O et de 2-phényléthanethiol (2-phenylethanethiol) dans un mélange de dichlorométhane et de méthanol.
2. Réaction de réduction : Ajout de NaBH4 comme agent réducteur, la réaction est agitée à température ambiante pendant 12 heures, la solution passant progressivement d’une suspension blanche à une couleur brun rougeâtre, indiquant la formation du nanocluster.
3. Purification et cristallisation : Par centrifugation et lavage pour éliminer les ions libres et les sous-produits, suivis d’une cristallisation dans un mélange de dichlorométhane/n-hexane, aboutissant à des cristaux noirs.
Le produit synthétisé a été caractérisé par analyse thermogravimétrique (TGA), spectroscopie à dispersion d’énergie (EDX), spectroscopie photoélectronique X (XPS) et résonance magnétique nucléaire (NMR), confirmant sa formule chimique Ag135Cu60(S(CH2)2Ph)60Cl42.
2. Analyse structurale
Grâce à l’analyse par diffraction de rayons X sur monocristal (XRD), la structure de Ag135Cu60 a été détaillée. Ce cluster est composé de cinq couches :
1. Couche centrale : Un icosaèdre Ag13.
2. Deuxième couche : Un icosaèdre Ag42.
3. Troisième couche : Une structure topologique de type fullerène Ag60, contenant 12 pentagones et 20 hexagones.
4. Quatrième couche : Un icosaèdre Cl12.
5. Couche externe : Un dodécaèdre tronqué Cu60.
Cette structure en couches imbriquées confère à Ag135Cu60 une symétrie et une stabilité élevées, posant les bases de ses propriétés optiques uniques.
3. Étude des propriétés optiques
À l’aide de la spectroscopie d’absorption UV-Vis et de la spectroscopie d’absorption transitoire femtoseconde (fs-TA), les chercheurs ont révélé les propriétés optiques de Ag135Cu60.
1. Spectroscopie UV-Vis : Plusieurs pics d’absorption ont été observés à 407 nm, 500 nm, 643 nm, 731 nm et 884 nm, indiquant que ce cluster présente à la fois des caractéristiques moléculaires et métalliques.
2. Spectroscopie fs-TA : L’étude a montré que la dynamique de l’état excité de Ag135Cu60 présente une dépendance significative à la puissance, suggérant que les chemins de relaxation des électrons sont étroitement liés au couplage avec les phonons.
4. Propriétés électrochimiques
À l’aide de la voltampérométrie différentielle à impulsions (DPV) et de la voltampérométrie cyclique (CV), les chercheurs ont approfondi l’étude des propriétés électrochimiques de Ag135Cu60. Les résultats montrent que ce cluster présente un faible écart HOMO-LUMO (0.01 eV), se comportant de manière similaire à un métal.
Principaux résultats
- Confirmation de la structure : Grâce à la diffraction des rayons X et à diverses techniques de caractérisation, la structure en cinq couches de Ag135Cu60 a été confirmée, avec la couche centrale Ag13 et la deuxième couche Ag42 formant des icosaèdres stables, tandis que la troisième couche Ag60 présente une topologie de type fullerène.
- Propriétés optiques : La spectroscopie UV-Vis et fs-TA a révélé les caractéristiques à la fois moléculaires et métalliques de Ag135Cu60, en particulier le pic d’absorption à 500 nm, similaire à l’absorption plasmonique.
- Propriétés électrochimiques : La voltampérométrie différentielle à impulsions a montré que Ag135Cu60 présente un faible écart HOMO-LUMO, se comportant de manière similaire à un métal.
Conclusion et signification
Cette étude a réussi à synthétiser un nouveau nanocluster argent-cuivre Ag135Cu60 et à analyser en détail sa structure et ses propriétés optiques. Ce cluster, avec sa topologie de type fullerène, présente à la fois des caractéristiques moléculaires et métalliques, fournissant un nouveau support expérimental pour étudier la relation entre la structure des nanoclusters métalliques et leurs propriétés physiques. De plus, la méthode de synthèse de Ag135Cu60 offre une référence importante pour la conception future de nanoclusters plus complexes, avec des perspectives d’application vastes, en particulier dans les domaines des nanotechnologies et de la science des matériaux.
Points forts de la recherche
- Nouvelle structure : Ag135Cu60 est le plus grand nanocluster argent-cuivre à coquille multiple jamais rapporté, sa structure en cinq couches présentant une symétrie et une stabilité élevées.
- Double caractéristique : Ce cluster présente à la fois des caractéristiques moléculaires et métalliques, offrant une nouvelle perspective pour étudier le comportement électronique des nanoclusters métalliques.
- Méthode innovante : L’étude a utilisé la méthode “one-pot” pour synthétiser Ag135Cu60, et a analysé en détail sa structure et ses propriétés grâce à diverses techniques de caractérisation, fournissant une référence importante pour les recherches futures.
Autres informations utiles
Les données cristallographiques de cette étude ont été soumises au Cambridge Crystallographic Data Centre (CCDC), et les lecteurs peuvent les obtenir gratuitement via leur site web. De plus, l’équipe de recherche a fourni des informations supplémentaires détaillées, y compris les méthodes expérimentales, l’analyse des données et les discussions pertinentes, facilitant une compréhension approfondie de l’étude.
Cette recherche a non seulement fait progresser le domaine des nanoclusters métalliques, mais a également fourni une base théorique et un support expérimental importants pour la conception future de nouveaux nanomatériaux. En révélant la structure et les propriétés optiques de Ag135Cu60, les chercheurs ont ouvert de nouvelles directions de recherche en nanosciences et en technologies.