Nanoclusters that consist of at least several tens to several thousands of atoms have recently attracted considerable attention, firstly, because of their unusual thermodynamic properties, such as a lower melting point and surface melting and, secondly, because of their unique structures, such as icosahedrons, decahedrons, truncated octahedrons and even core-shell structures. In recent days, new structures have been identified like nanodisk, nanotriangle, nanocube, truncated tetrahedron. Among them, nanotriangle has attracted considerable attention because of the special structural property.
The shape of metal or semiconductor nanoparticles has received intensive attention in recent years due to its strong effect on the physical and chemical, including optical, electronic, magnetic and catalytic, properties of the nanomaterials. For silver, preparation of different shaped nanoparticles has attracted special interest in optics, surface enhanced Raman spectroscopy (SERS), and biological labeling and diagnosis applications because shape has been found to be a very sensitive factor in controlling the surface plasmon oscillation of particles. For example, based on the study of the plasmon resonance optical spectrum of individual nanoparticles, Schultz et al. have shown that triangular particles can display peak plasmon resonance wavelengths mainly in the range of 600-700 nm while pentagons display in the range of 500-560 nm. Mirkin et al. have also succeeded in the preparation of triangular nanoprisms, which displayed a strong in-plane dipole plasmon resonance at 670 nm. Note that these properties cannot be obtained using spherical particles through changing the sizes.
In this study, the basin-hopping Monte Carlo algorithm was modified to more effectively determine a global minimum structure in pure and binary metallic nanoclusters. For a pure metallic $Ag_{55}$ nanocluster, the newly developed quadratic basin-hopping Monte Carlo algorithm is 3.8 times more efficient than the standard basin-hopping Monte Carlo algorithm. For a bimetallic $Ag_{42}Pd_{13}$ nanocluster, the new algorithm succeeds in finding the global minimum structure by 18.3% even though the standard basin-hopping Monte Carlo algorithm fails to achieve it.
In the following study we developed the growth and dissolution algorithm, which depicts the growth of nanoparticle in the aqueous solution. This algorithm is roughly divided into preparing a seed, collision and removal step. The role of reductant is implicated in the step of preparing a seed, and the role of solution and surfactant is in the step of collision, and the role of light or boiling is in the step of removal. Two most important variables in this algorithm are the point where collision occurred and the number of dissolution atoms in the step of removal. First one depends on the species and concentration of surfactant, and second one depends on the amount and the wavelength of the emitted light. If the amount of surfactant which does not prevent the growth along fcc (111) direction like CTAB or citrate is low, then nano-seed grows as a spherical nanoparticle, and if the amount of the surfactant is high, then it grows as a nanodisk or nanotriangle by the dissolution speed. In the case of high dissolution speed the seed grows as a nanodisk, and in the case of low speed it grows as a nanotriangle. Also, we revealed the exothermic collision has important role in the growth mechanism of nanotriangle.
수십~수백 개의 원자로 이루어진 나노 클러스터는 지대한 관심을 받고 있는데, 그 이유가 첫째로는 크기가 작아짐으로 생기는 녹는점 하강과 바깥 부분이 먼저 녹는 점 때문이고, 둘째로는 icosahedron, decahedron, truncated octahedron, 혹은 core-shell structures 같은 특이 구조 때문이다. 최근에 nanodisk, nanotriangle, nanocube, truncated tetrahedron등의 새로운 구조들도 새롭게 발견되었다. 이 중에서 nanotriangle은 다음과 같은 특이한 구조 특성 때문에 더욱 관심을 받고 있다.
금속 혹은 반도체 나노 클러스터는 그것의 물리적, 화학적 특성 및 광학적 특성 때문에 매우 관심을 받고 있다. 그 중 은(Ag)의 경우 광학, SERS, 생물학적 라벨링 및 분석에 활용이 가능하다. 왜냐하면 그 구조에 따라서 표면 플라즈몬의 오실레이션 현상이 급격히 변하기 때문이다. Mirkin등은 670nm의 dipole 플라즈몬 공명을 갖는 nanotriangle을 합성하는데 성공하였다. 이는 구형 나노 입자에서는 관측할 수 없었던 특성이다.
본 연구에서는 basin-hopping 몬테 카를로법을 변형하여 순금속 혹은 이종 금속 나노 입자의 보다 효율적인 최안정 구조를 찾는데 주력하였다. $Ag_{55}$ 나노 입자를 가지는 순금속의 경우 quadratic basin-hopping 몬테 카를로법으로 3.8배의 효과 증진을 가져왔고, $Ag_{42}Pd_{13}$ 이종 나노 입자의 경우 18.3%의 확률로 최안정 구조를 찾아내었다. 기존 연구에서는 같은 조건에선 이종 나노 입자의 최안정 구조를 찾지 못했다.
다음 연구에서는 수용액에서의 나노 입자의 성장을 예측하였다. 이 알고리즘은 대강 씨드, 충돌, 제거의 과정으로 나눌 수 있다. 환원제의 효과는 씨드를 생성하는데, 용액과 계면활성제의 역할은 충돌로, 빛과 끓임 효과는 제거 단계로 표현하였다. 이 과정에서 중요한 2개의 변수는 어디에 충돌할 것인가와 몇 개의 원자가 한 과정에서 제거 될 것인가 이다. 전자는 계면활성제의 종류와 양에 따라 결정되고 후자는 빛의 파장과 양에 따라 결정된다. 이 연구를 매개체로 발열 충돌 과정이 nanotriangle을 형성하는데 매우 중요한 역할을 했다는 것을 발견하였다.