At tage en side fra naturen for at bygge bedre nanomaterialer

(PhysOrg.com) - Nogle gange kan naturen ikke forbedres. Et eksempel er syntesen af ​​nanomaterialer, som i laboratoriet eller fabrikken generelt kræver giftige kemikalier og ekstreme temperatur- og trykforhold. Men over millioner af år, naturen har udviklet måder at sammensætte uorganiske nanokrystaller ved milde temperaturer og tryk. Normalt denne proces, kendt som biomineralisering, involverer calciumcarbonat eller fosfat til formål såsom bygning af knogler eller skaller, men en anden interessant variation ses i krystallisationen af ​​guld fra opløsning af visse typer bakterier. En gruppe forskere har udtænkt et unikt eksperiment for at efterligne denne naturlige biomineraliseringsproces for at skabe orienterede guldnanokrystaller og undersøge deres dannelse ved U.S. Department of Energy Office of Science's Advanced Photon Source (APS) ved Argonne National Laboratory.

Arbejder på ChemMatCARS 15-ID beamline på APS, forskerne fra Northwestern University og University of Chicago flydede Langmuir -monolag af octadecanethiol (C18S) på opløsninger af chloroaurinsyre (HAuCl4) ved stuetemperatur og tryk, anvendte derefter en monokromatisk 10 keV røntgenstråle både som et reduktionsmiddel til at fremkalde guldkrystallisering og som en sonde til at undersøge grænsefladen gennem afgræsning-forekomst røntgendiffraktion (GID, 1). (Forsøgene blev gentaget ved sektor X14A af National Synchrotron lyskilde for at bekræfte, at resultaterne ikke var artefakter af opsætningen eller strålen.)

"Selvsamling af organiske molekyler er velkendt og velstuderet på guldoverflader, og vi ønskede at bruge denne viden fra dette felt til at dyrke guldnanopartikler ved hjælp af en organisk skabelon, ”Siger Ahmet Uysal, første forfatter til artiklen Physical Review Letters om gruppens resultat.

Ved at dække undersiden af ​​det flydende Langmuir -monolag med guld, eksperimentatorerne vendte i det væsentlige om oprettelsesprocessen SAM (selvsamlet monolag) og brugte den som en analog til biomineralisering. Medforfatter Pulak Dutta bemærkede:“Alkylthiol SAMs har en struktur, der perfekt matcher (111) ansigtet af guld. Inspireret af dette, vi lavede Langmuir monolag på aurochlorsyreopløsninger, og så voksede vi guldkrystaller under dem ved at bruge røntgenstråler til at reducere guldet. ”

Derved, tilføjede Uysal, "Vi kan se de molekylære interaktioner ved grænsefladen, hvordan de organiske molekylstrukturer ændres under processen, og også overfladestrukturer af guldnanopartiklerne på samme tid. I stedet for forsøg og fejl metoder til at dyrke guld nanopartikler, vi kan se processen foregå på nanoskalaen. ”Arbejdet giver vigtig indsigt i de faktiske molekylære interaktioner.

GID -toppene afslører, at der dannes guldkrystaller ved thioloverfladen, med en (111) orientering i overensstemmelse med den organiske skabelon. Prøver af guldkrystallerne blev afbildet med transmissionselektronmikroskopi (TEM), viser pladelignende sekskantede nanokrystaller omkring 50 nm brede (fig. 2). Thiol -monolaget opfører sig som en blød skabelon, ændrer sig selv for at imødekomme dannelsen af ​​nanokrystaller.

Det er denne enkeltlags tilpasningsevne, der fremmer væksten af ​​de orienterede guldnanopartikler. "Det faktum, at vi kan 'narre' guld til at vokse på en krystallografisk orienteret måde, er den store nyhed i dette papir, ”Påpeger Dutta. "Ligesom med SAM'er, strukturen af ​​det organiske monolag matcher strukturen af ​​guldoverfladen, og denne gitterkamp giver guldkrystaller lyst til at vokse med alle (111) flyene peget på samme måde. ”

Ved at vise en metode, hvormed organiske molekyler kan bruges til at kontrollere formen, størrelse, og krystallografisk orientering af uorganiske nanokrystaller i et mildt miljø, forskerne har åbnet en vej for udviklingen af ​​forbedrede fremstillingsprocesser for nanomaterialer. Selvom de nuværende teknikker ved hjælp af høje temperaturer og hårdt vakuum giver store udbytter, de er også dyrere og mindre miljøvenlige. Uysal forklarer, "At forstå det grundlæggende i interaktionen kan bidrage til at øge udbyttet af disse mere 'grønne' metoder." Dutta tilføjer, at "dette er en proces, der sker under normale forhold. Det er rigtigt, at røntgenstråler bruges til at reducere guldet, men en sådan reduktion kan også udføres kemisk, sådan gør bakterier det. ”

Det næste trin, siger Uysal, er “at kvantificere kemiens rolle og monolagets struktur i guld -nanopartikelorientering og -form. Der er andre funktionelle grupper i levende organismer, såsom amin- og carboxylgrupper. Vi vil se, hvad der virker, og hvad der ikke virker. Det endelige mål er, selvfølgelig, for at kunne designe skabeloner til ønskede nanopartikelformer og orienteringer. ”Dutta tilføjer, ”Ved at være klog på at sætte de rigtige molekyler på skabelonen, vi burde være i stand til at lave bedre materialer til fotonik eller andre formål. ”