比以往任何时候都小-探索量子大小材料的不同寻常的性质

东京工业大学(Tokyo Tech)的科学家使用一种名为树枝状大分子的特殊大分子模板，合成了铟和锡比例受到精确控制的亚纳米粒子。通过一个跨越不同金属比例的筛选过程，他们发现了来自尺寸小型化和元素杂化的不寻常的电子态和光学性质。他们的方法可能是开发具有独特功能和特性的亚纳米粒子的第一步，用于电子、磁性和催化应用。

功能纳米材料的发展是材料科学史上的一个重要里程碑。纳米粒子的直径在5到500纳米之间，与它们的块状材料相比，具有前所未有的性能，比如高催化活性。此外，随着粒子变得更小，奇异的量子现象变得更加突出。这使得科学家们能够生产出具有梦寐以求的特性的材料和设备，特别是在电子、催化和光学领域。

但如果我们做小一点呢？由于量子效应的优势，颗粒尺寸在1纳米左右的亚纳米粒子(SNPs)被认为是一类具有独特性质的新材料。SNPs尚未开发的潜力引起了东京理工大学科学家的注意，他们目前正在应对这个基本上未被开发的领域出现的挑战。在最近发表在《美国化学学会杂志》(Journal Of The American Chemical Society)上的一项研究中，化学与生命科学实验室(Laboratory For Chemical And Life Science)的一组科学家展示了一种新的分子筛查方法来寻找有前途的单核苷酸多态性(SNPs)。该团队由Takamasa Tsukamoto博士领导。

正如人们所预料的那样，SNPs的合成受到技术困难的困扰，对于那些包含多种元素的SNPs来说更是如此。Tsukamoto博士解释说：即使只包含两种不同元素的SNPs也几乎没有被研究过，因为生产亚纳米级的系统需要对组成比例和粒子大小进行精确的原子控制。然而，这个科学家团队已经开发出一种新的方法，通过这种方法，可以从不同的金属盐中提取SNPs，并极大地控制原子总数和每种元素的比例。

他们的方法依赖于树状大分子(见图1)，这是一种对称的分子，像树木萌芽形成一个共同的中心一样，向外径向分支。树枝状大分子作为模板，金属盐可以准确地堆积在所需支链的底部。随后，通过化学还原和氧化，在树枝状大分子支架上精确地合成了SNPs。科学家们在他们最新的研究中使用了这种方法，生产出了不同比例的铟和锡氧化物的SNPs，然后探索了它们的物理化学性质。

一个奇怪的发现是，铟与锡的比例为3：4时，出现了不寻常的电子态和氧含量(见图2)。即使在纳米颗粒的大小和组成受到控制的研究中，这些结果也是史无前例的，科学家们将其归因于亚纳米级的物理现象。此外，他们发现，这种元素比例的SNPs的光学性质不仅与其他比例的SNPs不同，而且与相同比例的纳米粒子也不同。如图3所示，具有此比例的SNPs在紫外光照射下呈黄色而不是白色，并显示绿色光致发光。

在亚纳米尺度上探索材料特性将极有可能导致它们在下一代电子和催化剂中的实际应用。然而，这项研究只是亚纳米材料领域的开始，筑本博士总结道：我们的研究标志着首次通过顺序筛选搜索发现了SNPs的独特功能及其潜在原理。我们相信，我们的发现将成为开发未知量子尺寸材料的第一步。亚纳米世界正在等待着我们！

东京工业大学创新研究所化学与生命科学实验室