Ученые из Токийского технологического института разработали новую методологию, которая позволяет исследователям оценивать химический состав и структуру металлических частиц диаметром от 0,5 до 2 нм. Статья об этом опубликована в журнале Science Advances.

Металлические наночастицы в настоящее время находятся в центре внимания современных исследований из-за их многочисленных потенциальных применений. Недавно разработанный метод синтеза с использованием дендримерных молекул позволяет исследователям создавать металлические нанокристаллы диаметром от 0,5 до 2 нм. Такие частицы называются «субнаноскопическими кластерами», обладают очень характерными свойствами: они могут быть отличными катализаторами для электрохимических реакций и демонстрировать квантовые свойства, которые очень чувствительны к изменениям числа составляющих атомов кластеров.

К сожалению, существующие аналитические методы исследования структуры наноразмерных материалов и частиц непригодны для детектирования таких кластеров. Один из таких методов, называемый рамановской или КР-спектроскопией, заключается в облучении образца лазером и анализе полученных спектров рассеянного излучения для получения данных о составе материала и его структуре. Хотя традиционная рамановская спектроскопия и ее варианты были бесценными инструментами для исследователей, они все еще не могут быть использованы для анализа субнаноскопических кластеров из-за их низкой чувствительности.

Один из типов метода КР-спектроскопии называется поверхностно-усиленной КР-спектроскопией. В новом исследовании ученые применили новую технику для улучшения этого метода анализа. Для этого они добавляли наночастицы золота и/или серебра, заключенные в инертную тонкую оболочку из кремнезема, чтобы усилить оптические сигналы и таким образом увеличить чувствительность метода.

Сначала ученые сосредоточилась на теоретическом определении оптимального размера и состава таких наночастиц. Оказалось, что серебряные частицы размером примерно 100 нм (почти в два раза больше обычно используемых) могут значительно усиливать сигналы, полученные от субнаноскопических кластеров, прикрепленных к пористой оболочке кремнезема.

Чтобы проверить эти результаты, они измерили КР-спектры кластеров оксида олова. Ученые хотели увидеть, может ли новый метод найти объяснение их необычайно высокой каталитической активности в определенных химических реакциях. Сравнивая свои рамановские измерения со структурными моделями и теоретическими анализами, ученые обнаружили новые представления о структуре частиц оксида олова, объясняющие происхождение специфической каталитической активности этих субнаноскопических кластеров.