Hvor mange guldatomer laver guldmetal?

Forskere ved Nanoscience Center ved Jyväskylä Universitet, Finland, har vist, at dramatiske ændringer i de elektroniske egenskaber af nanometerstore guldbidder sker i veldefinerede størrelsesområder. Små guld nanoclusters kunne bruges, for eksempel, i korttidslagring af energi eller elektrisk ladning inden for molekylær elektronik. Finansieret af Akademiet i Finland, forskerne har været i stand til at få ny information, som er vigtig, blandt andet, i at udvikle bioimaging og sensing baseret på metallignende klynger.

To nylige artikler fra forskerne ved Jyväskylä demonstrerer, at de elektroniske egenskaber af to forskellige, men stadig ret ens guldnanoklynger, kan være drastisk forskellige. Klyngerne blev syntetiseret ved kemiske metoder, der inkorporerede et stabiliserende ligandlag på deres overflade. Forskerne fandt ud af, at den mindre klynge, med op til 102 guldatomer, opfører sig som et kæmpe molekyle, mens det større, med mindst 144 guldatomer, opfører sig allerede, i princippet, som et makroskopisk stykke metal, men i nanostørrelse.

Den fundamentalt forskellige opførsel af disse to guldnanoklynger af forskellig størrelse blev demonstreret ved at skinne et laserlys på opløsningsprøver indeholdende klyngerne og ved at overvåge, hvordan energi spredes fra klyngerne til det omgivende opløsningsmiddel.

"Molekyler opfører sig drastisk anderledes end metaller, " sagde professor Mika Pettersson, hovedefterforskeren for holdet, der udfører eksperimenterne. "Den ekstra energi fra lys, absorberes af de metallignende klynger, overføres ekstremt hurtigt til miljøet, på omkring en hundrede milliardtedel af et sekund, mens en molekylelignende klynge exciteres til en højere energitilstand og spreder energien ud i miljøet med en hastighed, der er mindst 100 gange langsommere. Det er præcis, hvad vi så:102-guld atomklyngen er et kæmpe molekyle, der viser selv en forbigående magnetisk tilstand, mens 144-guld atomklyngen allerede er et metal. Vi har således formået at placere en vigtig størrelsesregion, hvor denne fundamentalt interessante ændring i adfærden finder sted."

"Disse eksperimentelle resultater går meget godt sammen med, hvad vores team har set fra beregningssimuleringer på disse systemer, " sagde professor Hannu Häkkinen, en medforfatter til undersøgelserne og den videnskabelige leder af nanoscience-centret. "Mit team forudsagde denne form for adfærd tilbage i 2008-2009, da vi så store forskelle i den elektroniske struktur af præcis disse nanoklynger. Det er vidunderligt, at robuste spektroskopiske eksperimenter nu har bevist disse fænomener. Faktisk, den metallignende 144-atom klynge er endnu mere interessant, siden vi lige har udgivet et teoretisk papir, hvor vi så en stor forbedring af de metalliske egenskaber af blot nogle få kobberatomer blandet med guld."