El desarrollo de nanomateriales funcionales ha sido un hito importante en la historia de la ciencia de los materiales. Las nanopartículas con diámetros que van de 5 a 500 nm tienen propiedades sin precedentes, como alta actividad catalítica, en comparación con sus homólogos de material a granel. Es más, a medida que las partículas se vuelven más pequeñas, los fenómenos cuánticos exóticos se vuelven más prominentes. Esto ha permitido a los científicos producir materiales y dispositivos con características con las que solo se había soñado, especialmente en los campos de la electrónica, catálisis, y óptica.

Pero, ¿y si nos hacemos más pequeños? Las sub-nanopartículas (SNP) con tamaños de partículas de alrededor de 1 nm ahora se consideran una nueva clase de materiales con propiedades distintas debido al predominio de los efectos cuánticos. El potencial sin explotar de los SNP llamó la atención de los científicos de Tokyo Tech, que actualmente están afrontando los retos que surgen en este campo mayoritariamente inexplorado. En un estudio reciente publicado en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense , un equipo de científicos del Laboratorio de Química y Ciencias de la Vida, dirigido por el Dr. Takamasa Tsukamoto, demostró un nuevo enfoque de cribado molecular para encontrar SNP prometedores.

Como era de esperar, la síntesis de SNP está plagada de dificultades técnicas, más aún para aquellos que contienen múltiples elementos. El Dr. Tsukamoto explica:"Incluso los SNP que contienen solo dos elementos diferentes apenas se han investigado porque la producción de un sistema de escala subnanométrica requiere un control fino de la proporción de la composición y el tamaño de las partículas con precisión atómica". Sin embargo, este equipo de científicos ya había desarrollado un método novedoso mediante el cual se podían fabricar SNP a partir de diferentes sales metálicas con un control extremo sobre el número total de átomos y la proporción de cada elemento.

Su enfoque se basa en dendrímeros (ver Figura 1), un tipo de molécula simétrica que se ramifica radialmente hacia afuera como los árboles que brotan forman un centro común. Los dendrímeros sirven como plantilla sobre la que se pueden acumular con precisión las sales metálicas en la base de las ramas deseadas. Después, mediante reducción química y oxidación, Los SNP se sintetizan con precisión en el andamio dendrímero. Los científicos utilizaron este método en su estudio más reciente para producir SNP con diversas proporciones de óxidos de indio y estaño y luego exploraron sus propiedades fisicoquímicas.

Un hallazgo peculiar fue que los estados electrónicos inusuales y el contenido de oxígeno ocurrieron en una proporción de indio a estaño de 3:4 (ver Figura 2). Estos resultados fueron inéditos incluso en estudios de nanopartículas con tamaño y composición controlados, y los científicos los atribuyeron a fenómenos físicos exclusivos de la escala subnanométrica. Es más, encontraron que las propiedades ópticas de los SNP con esta proporción elemental eran diferentes no solo de las de los SNP con otras proporciones, pero también de nanopartículas con la misma proporción. Como se muestra en la Figura 3, los SNP con esta relación eran amarillos en lugar de blancos y exhibían fotoluminiscencia verde bajo irradiación ultravioleta.

La exploración de las propiedades de los materiales a escala subnanométrica probablemente conducirá a su aplicación práctica en la electrónica y los catalizadores de próxima generación. Este estudio, sin embargo, es solo el comienzo en el campo de los materiales subnanométricos, como concluye el Dr. Tsukamoto:"Nuestro estudio marca el primer descubrimiento de funciones únicas en SNP y sus principios subyacentes a través de una búsqueda secuencial. Creemos que nuestros hallazgos servirán como el paso inicial hacia el desarrollo de la tecnología cuántica aún desconocida materiales de tamaño ". ¡El mundo subnanométrico te espera!