納米團簇 (NC) 是通常以納米 (10-9 m) 尺度存在的晶體材料。它們由原子或分子與鈷、鎳、鐵和鉑等金屬結合而成，并在不同領域發現了一些有趣的應用，包括藥物輸送、催化和水凈化。NC 尺寸的減小可以釋放額外的潛力，從而實現單原子催化等過程。在這種背景下，有機分子與單個過渡金屬原子的配位顯示了該領域進一步發展的希望。

進一步減小納米顆粒尺寸的創新方法是將金屬原子引入平面上的自組裝單層薄膜中。然而，必須謹慎行事，確保這些表面上金屬原子的排列不會破壞這些單層薄膜的有序性質。現在，在《材料化學雜志 C》最近發表的一項研究中，千葉大學工程研究生院的 Toyo Kazu Yamada 博士、國立清華大學化學工程系的 Masaki Horie 以及來自清華大學化學工程系的 Satoshi Kera分子科學研究所和千葉大學工程研究生院的 Peter Krüger 展示了室溫下分子環陣列上鈷原子的表面生長。

與我們談論這一進步。山田博士說：“這種具有原子級精度的功能性納米團簇形成的先進方法可用于高效催化劑的開發或量子計算。”

在這項研究中，研究小組使用了稱為“冠醚”的環形分子結構，其中含有苯環和溴環。這些結構用于在平坦的銅表面上捕獲和生長鈷NC。所得的鈷 NC 有兩種尺寸：1.5 nm 和 3.6 nm。為了進一步了解它們的性質和結構，采用了各種技術，包括低溫掃描隧道顯微鏡和光譜學(STM 和 STS)、低能電子衍射(LEED)的角分辨光電子能譜(ARPES)和密度泛函理論( DFT)計算。

分析揭示了鈷原子可以附著的穩定表面位點的形成。此外，發現這些穩定表面位點的形成受到冠醚和鈷之間的電子雜化(混合)的影響。一旦鈷??原子被捕獲，它就像成核中心一樣，吸引其他鈷原子形成NC。此外，與溶液中冠醚分子的通常行為不同，這些分子不會將金屬原子捕獲在冠環中心。相反，金屬原子位于邊緣，因為該位置存在溴原子。在討論這些發現的長期潛力時，山田博士說：“這種方法在單原子催化、自旋電子介質小型化和量子計算等應用中的使用將有助于信息社會的發展一種減少二氧化碳(CO2)產生的方法。”

總之，該團隊通過利用銅表面二維冠醚分子的捕獲潛力，成功地演示了鈷NC的生長。冠醚分子的化學行為偏離了在溶液中觀察到的典型相互作用，因為鈷原子被捕獲在邊緣而不是中心。重要的是，該方法證明了在室溫下可以有效地大規模生產具有明確尺寸和形態的NC。