新型碳基自组装纳米材料 具有原子级精确结构和特殊的电子性质

三核金属基 - 有机配位基序的表面1D纳米结构：金属中心的局部电子配置有望在光电子学和催化中实现新功能，图片来源：FLEET

众所周知，生物有机体是最复杂的机体，能以很高的效率去完成复杂的任务。

这些生物有机体有一个共同点——所有重要的反应都发生在纳米尺度上。他们的功能依赖于自组装——即分子间彼此进行精确、选择性地相互作用，形成明确定义的结构，比如DNA双螺旋结构。

受到自组装生物系统的启发， FLEET物理学家等国际科学家团队已创造出一种新的碳基自组装纳米材料，这可能是新光伏和催化技术的关键材料。

通过自组装，研究人员能够以原子级精度设计出由有机（碳基）分子和铁原子组成的新的1-D纳米结构。这些研究结果发表在Nature Communications和ACS Nano上。

通过自组装实现原子级精度：通向新功能的途径

Agustin Schiffrin博士是首席科学家，奥斯汀大学高级讲师，FLEET首席研究员，他说：“即使能通过控制单个原子和分子的位置来制造纳米材料，也非常繁琐”。

Schiffrin博士解释说：“相反，我们可以通过自组装，选择正确的分子、原子和制备条件来建立原子级精确的结构，而且这样做的好处是不需要外部干预”。

蒙纳士研究人员实际上可以放置单个原子作为分子程序化自组装的替代方案。 例如，这个'微裂缝项目从42个单独的铁原子创建了FLEET标志。图片来源：FLEET

控制分子之间的相互作用可以生成所需要的、具有明确定义的纳米结构，类似于DNA中核酸之间相互作用产生双螺旋的方式。

Marina Castelli博士是蒙纳士大学物理与天文学院的学生，也是文章的共同作者，他说：“因此，我们可以制造出非常精确的工程结构材料，使材料具备特殊的电子特性”。

蒙纳士研究员Cornelius Krull博士解释说：“就像生物有机体依赖原子之间的相互作用一样，这些新材料的物理和电子性质也取决于它们的单分子结构”。

自下而上法优于自上而下法

一些纳米材料加工的常规方法，例如光刻 （上而下），通过刻制图案纪录信息，但这些方法的分辨率只有1纳米。相反，“自下而上”方法的分辨率是亚纳米级，其电子性能控制和效率控制的潜力更大。此外，“自下而上”法可以使纳米结构得到传统合成方法无法得到的性能。

金属基-有机分子复合物的纳米材料具有催化、光伏、气体传感和存储等众多技术和生物功能。

其中，金属-有机配位基序的原子形态和电子构型起着至关重要的作用，决定了它们的整体电子和化学性质。

两项研究

发表ACS Nano上的论文“通过表面合成设计光电性能：铁 - 三联吡啶大分子复合物的形成以及电子结构” 描述了在费米能级附近的一个能量范围内电子状态（被占据和未被占据）的能量和空间排布，这对材料的光电应用来说很有用，如光电、光催化和发光器件。

自然通信中发表了一篇 “基于红外的三核金属有机纳米结构”的文章，其在原子层面上研究了单原子层的结构和化学性质，从原子尺度上描述了非平凡铁分子内结构和电荷分布对催化应用的影响。


文章来自phys.org/news，原文题目为Self-assembled nanostructures with atomically precise structure and tailored electronic properties，由材料科技在线汇总整理。