X線結晶学でナノクラスター上のリガンドとその集合体を見る原子レベルでの精密ナノ化学とその先へ

Seeing Ligands on Nanoclusters and in Their Assemblies by X-ray Crystallography: Atomically Precise Nanochemistry and Beyond.

• Yingwei Li
• Rongchao Jin

抄録

リガンドは、コロイドナノ粒子（NP）の表面保護、サイズや形状の制御、仕立て上げ特性、自己組織化、応用などの観点から、非常に重要な役割を果たしています。しかし、リガンドとその相互作用やパターニングに関する明確な情報を得ることは非常に困難です。近年の原子レベルでの精密なナノ化学の出現は、新たな地平を切り開いた。原子レベルの分解能でリガンドを見ることができるようになり、1～3 nmの超微細なNPの表面やその集合体の中でのリガンドの挙動を理解することができるようになりました。このような原子レベルで精密なNP（またはナノクラスター、NC）は、粒子内および粒子間のリガンド相互作用によって形成される特定のパターンを明らかにする前例のない機会を提供することで、従来のNPとの架け橋となっています。本研究では、まず、原子レベルで精密なNCを実現し、その全体構造を決定する方法について議論する。次に、NC上に形成された様々なパターン、ファセットやエッジ上のリガンドモード、生体分子の組織に似たリガンドによって組み立てられたいくつかの審美的なパターンを含む、粒子内リガンド相互作用（すなわち、リガンドシェル）に焦点を当てる。また、粒子間の配位子相互作用や、コヒーレントな超格子へのNCの自己組織化を誘導する役割についても議論し、原子レベルでの精密なNCからの洞察を得ることで、従来のNPの集合体へのヒントとなる集合体メカニズムの深い理解を得ることができた。全体として、原子レベルでの精密なNCの実現に成功したことは、ナノ化学の枠を超えて、特に材料設計、工学、応用の分野に新たな可能性をもたらすものと期待されている。

Ligands are of tremendous importance for colloidal nanoparticles (NPs) in terms of surface protection, size and shape control, tailoring properties, self-assembly, and applications. However, it is very challenging to obtain unambiguous information on the ligands and their interactions and patterning on NPs. The recent advent of atomically precise nanochemistry has opened new horizons. One can now see ligands with atomic resolution and understand their behavior on the surface of ultrasmall NPs (1-3 nm) and also in their assemblies. Such atomically precise NPs (or nanoclusters, NCs) bridge up with conventional NPs by providing unprecedented opportunities to reveal the specific patterns formed by intra- and inter-particle ligand interactions. In this Perspective, we first discuss how to achieve atomically precise NCs and determine their total structures. Then, we highlight the intra-particle ligand interactions (i.e., the ligand shell), including the various patterns formed on the NCs, the ligand modes on facets and edges, and some aesthetic patterns assembled by ligands that are akin to biomolecular organization. The inter-particle ligand interactions and their roles in directing the self-assembly of NCs into coherent superlattices are also discussed, which provides deep understanding of assembly mechanisms, with insights from atomically precise NCs hinting for the assembly of conventional NPs. Overall, the success in achieving atomically precise NCs is expected to bring new opportunities to fields beyond nanochemistry, especially to the materials design, engineering and applications.