Kemikere skaber små nanopartikler af guld, der afspejler naturmønstre

Vores verden er fuld af mønstre, fra vridningen af ​​et DNA -molekyle til Mælkevejens spiral. Ny forskning fra Carnegie Mellon -kemikere har afsløret, at lille, Nanopartikler af syntetisk guld udviser nogle af naturens mest indviklede mønstre.

At afsløre kalejdoskopet for disse mønstre var en herkulsk opgave, og det markerer første gang, at en nanopartikel af denne størrelse er blevet krystalliseret og dens struktur kortlagt atom for atom. Forskerne rapporterer deres arbejde i 20. marts -udgaven af Videnskab fremskridt .

"Når du stort set tænker på forskellige forskningsområder eller endda vores hverdag, den slags mønstre, disse hierarkiske mønstre, er universelle, "sagde Rongchao Jin, lektor i kemi. "Vores univers er virkelig smukt, og når du ser denne form for information i noget så lille som en 133-atom nanopartikel og så stor som Mælkevejen, det er virkelig fantastisk. "

Guld nanopartikler, som kan variere i størrelse fra 1 til 100 nanometer, er en lovende teknologi, der har anvendelser inden for en lang række områder, herunder katalyse, elektronik, materialevidenskab og sundhedspleje. Men, for at bruge guld nanopartikler i praktiske applikationer, forskere skal først forstå de små partiklers struktur.

"Struktur bestemmer i det væsentlige partikelens egenskaber, så uden at kende strukturen, du ville ikke være i stand til at forstå egenskaberne, og du ville ikke være i stand til at funktionalisere dem til specifikke applikationer, "sagde Jin, en ekspert i at skabe atompræcise guldnanopartikler.

Med denne seneste forskning, Jin og hans kolleger, herunder kandidatstuderende Chenjie Zeng, har løst strukturen af ​​en nanopartikel, Au133, består af 133 guldatomer og 52 overfladebeskyttende molekyler-den største nanopartikelstruktur, der nogensinde er løst med røntgenkrystallografi. Mens mikroskopi kan afsløre størrelsen, form og atomgitter af nanopartikler, det kan ikke skelne overfladestrukturen. Røntgenkrystallografi kan, ved at kortlægge hvert atoms position på nanopartiklernes overflade og vise, hvordan de binder sig til guldkernen. At kende overfladestrukturen er nøglen til at bruge nanopartiklerne til praktiske anvendelser, såsom katalyse, og for at afdække grundlæggende videnskab, såsom grundlaget for partikelens stabilitet.

Krystalstrukturen i Au133 -nanopartiklen afslørede mange hemmeligheder.

"Med røntgenkrystallografi, vi var i stand til at se meget smukke mønstre, hvilket var en meget spændende opdagelse. Disse mønstre vises kun, når nanopartikelstørrelsen bliver stor nok, "Sagde Jin.

Under produktionen, Au133-partiklerne samler sig selv i tre lag inden for hver partikel:guldkernen, overflademolekylerne, der beskytter den og grænsefladen mellem de to. I krystalstrukturen, Zeng opdagede, at guldkernen er i form af en icosahedron. I grænsefladen mellem kernen og de overfladebeskyttende molekyler er et lag af svovlatomer, der binder med guldatomerne. Svovl-guld-svovl-kombinationerne stabler i stige-lignende spiralformede strukturer. Endelig, knyttet til svovlmolekylerne er et ydre lag af overfladebeskyttende molekyler, hvis kulhaler samler sig selv i firdobler hvirvler.

"De spiralformede funktioner minder os om en DNA -dobbeltspiral, og det roterende arrangement af kulhalerne minder om den måde, vores galakse er arrangeret på. Det er virkelig fantastisk, "Sagde Jin.

Disse særlige mønstre er ansvarlige for Au133's høje stabilitet sammenlignet med andre størrelser af guldnanopartikler. Forskerne testede også de optiske og elektroniske egenskaber ved Au133 og fandt ud af, at disse guldnanopartikler ikke er metalliske. Normalt, guld er en af ​​de bedste ledere af elektrisk strøm, men størrelsen på Au133 er så lille, at partiklen endnu ikke er blevet metallisk. Jins gruppe tester i øjeblikket nanopartiklerne til brug som katalysatorer, stoffer, der kan øge hastigheden af ​​en kemisk reaktion.