Forskere forvandler guld-nanokluster til tolv-sidede dodekaederkrystaller

A*STAR -forskere har udtænkt en måde at destabilisere guldnanokluster på, så de danner små atomkerner, der derefter vokser sammen til perfekt proportionerede, 12-sidede dodekaederkrystaller. Disse unikke polyeder har energirige overflader, der kan øge den katalytiske effektivitet af vigtige kemiske reaktioner og tjene som potentielle adsorptionssteder for målrettede sensorenheder.

Typisk, guld -nanokluster fremstilles ved kemisk at reducere et guld -svovl -forstadium i nærvær af et organisk stabiliseringsmiddel. Denne procedure skaber en symmetrisk kerne af guldatomer beskyttet af et tyndt lag overfladegrupper kendt som thiolater. Forskere har udviklet mange teknikker til at variere størrelsen på nanoklusterne til at justere deres kemiske og fysiske egenskaber. Men destabilisering af guld-thiolatbindinger for at muliggøre yderligere transformationer til polyhedrale krystaller har vist sig mere udfordrende.

For at løse dette problem, et tværfagligt team ledet af Yong-Wei Zhang fra Institute of High Performance Computing og Ming-Yong Han fra Institute of Materials Research and Engineering på A*STAR i Singapore undersøgte strategier for at destabilisere guldklynger ved at oxidere de overfladebeskyttende thiolater. Mens det lovede, denne fremgangsmåde har sine risici:tidligere forsøg på at bruge ozon -destabiliseringsmidler frembragte ukontrolleret sammenlægning af guldatomer til makroskopiske bundfald.

Forskerne undersøgte, om skift til et mildere brintoverilte destabiliseringsmiddel ville give mere gunstige resultater. De syntetiserede først en opløsning af 25-atom guldklynger stabiliseret af ydre lag af bovint serumalbumin (BSA). Når hydrogenperoxid blev tilsat til blandingen, holdets massespektrometri -instrumenter viste, at kovalente guld -svovlbindinger langsomt sprængte.

Denne peroxidbaserede destabilisering producerede oprindeligt mindre 11-atom guldklynger. Men efter at have siddet i næsten en uge ved stuetemperatur, disse klynger transformeret til bemærkelsesværdige dodecahedron -former (se billede).

Højopløselig scanningselektronmikroskopi afslørede, at hver facet på dodecahedraet havde identiske krystallografiske orienteringer-en sjælden fordeling af guldatomer kendt som en [110] facet. Tæthedsfunktionsteori-beregninger initieret af medforfatter Guijian Guan viste, at disse usædvanlige strukturer opstår, når aminosyrer frigivet fra BSA under destabiliseringsreaktionen knytter sig til nanopartiklerne og fremmer vækst i alle krystalretninger undtagen [110] orienteringen.

Guan forklarer, at fordi [110] facetter har de højeste overfladeenergier blandt standardguldfacetter, de præsenterer stærke tiltrækningskræfter for indgående molekyler - et fænomen, der forbedrer den katalytiske kapacitet på grund af en stærkere bindingsaffinitet til målmolekyler. "For eksempel, vi observerede en firdobling i katalytisk evne for vores dodecahedra sammenlignet med guldnanopartikler under reduktionen af ​​4-nitrophenol til 4-aminophenol, "bemærker han.