Gylden sølv nanopartikel ligner og opfører sig som guld

(Phys.org)-I en handling af "nano-alkymi, "forskere har syntetiseret et sølv (Ag) nanokluster, der er næsten identisk med et guld (Au) nanokluster. På ydersiden, sølv nanoklyngen har en gylden gul farve, og på indersiden, dens kemiske struktur og egenskaber efterligner også tæt dem, der ligner dens guldmodstykke. Værket viser, at det kan være muligt at skabe sølv -nanopartikler, der ligner og opfører sig som guld på trods af underliggende forskelle mellem de to elementer, og kunne føre til at skabe lignende analoger mellem andre par af elementer.

Forskerne, ledet af Osman Bakr, Lektor i materialevidenskab og teknik ved King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) i Saudi -Arabien, har offentliggjort papiret i et nyligt nummer af Journal of the American Chemical Society .

"I nogle aspekter, dette ligner meget alkymi, men vi kalder det 'nano-alkymi, «, Fortalte Bakr Phys.org . "Da vi først stødte på det optiske spektrum af sølv -nanokluster, vi troede, at vi utilsigtet kan have skiftet de kemiske reagenser til sølv med guld, og endte med guld nanopartikler i stedet. Men gentagen syntese og målinger viste, at klyngerne faktisk var sølv og alligevel viser egenskaber, der ligner guld. Det var virkelig overraskende for os som forskere at finde ikke kun ligheder i farve og optiske egenskaber, men også røntgenstrukturen. "

Som alle kemiske elementer, sølv og guld er defineret ved deres antal protoner:sølv har 47, og guld har 79. Værket her ændrer ikke antallet af protoner i et atom af sølv; ellers ville det ikke længere blive betragtet som sølv. I stedet, forskerne syntetiserede et nanokluster af 25 sølvatomer, sammen med 18 andre molekyler kaldet "ligander", der omgiver sølvatomerne. Hele negativt ladet, sølvbaseret kompleksion har den kemiske formel [Ag ₂₅ (SPhMe ₂ ) ₁₈ ] ^- .

Selvom et par andre sølv -nanokluster er blevet syntetiseret i de seneste år, dette er det første sølv -nanokluster, der har en matchende analog i guld:[Au ₂₅ (SPhMe ₂ ) ₁₈ ] ^- er tidligere blevet rapporteret. Udover at begge nanokluster har 25 metalatomer og 18 ligander, de har også begge deres atomer og elektroner arrangeret på næsten nøjagtig samme måde.

I deres undersøgelse, forskerne udførte test, der viste, at nanoklusterne i sølv og guld har meget lignende optiske egenskaber. Typisk, sølv nanokluster er brune eller røde i farven, men denne ligner bare guld, fordi den udsender lys med næsten samme bølgelængde (omkring 675 nm) som guld. Den gyldne farve kan forklares ved, at begge nanokluster har praktisk talt identiske krystalstrukturer.

Forskerne undersøgte sølv-nanoklusterens krystalstruktur ved hjælp af røntgendiffraktion, hvor en røntgenstråle rammer den krystalliserede struktur og reflekteres i forskellige vinkler for at skabe et diffraktionsmønster på en detektor. Denne teknik afslørede, at sølv-nanoklyngen har et sølvatom i midten af ​​en 12-spids-stjernelignende form kaldet en icosahedron. Mens 12 af de andre sølvatomer danner de 12 punkter, de resterende 12 sølvatomer indtager nogle af ansigterne. Dette arrangement er næsten nøjagtigt som guld nanoklyngen, bortset fra at tre af atomerne på ansigtet på sølv -nanoklyngen vendes i en anden retning. Så vidt forskerne kan fortælle, orienteringen af ​​disse tre atomer er den eneste bemærkelsesværdige strukturelle forskel mellem nanoklusterne sølv og guld, og det forårsager en lille forvrængning i sølv -nanoklusterne.

Spørgsmålet opstår naturligvis:hvorfor er disse nanokluster i sølv og guld så ens, når individuelle atomer af sølv og guld er meget forskellige, hvad angår deres optiske og strukturelle egenskaber? Som Bakr forklarede, svaret kan have at gøre med, at, skønt større i størrelse, nanoklusterne opfører sig som "superatomer" i den forstand, at deres elektroner kredser hele nanoklyngen, som var det et enkelt kæmpe atom. Disse superatomiske orbitaler i nanoklusterne i sølv og guld ligner meget hinanden, og, generelt, et atoms elektronkonfiguration bidrager betydeligt til dets egenskaber.

"Størrelsesskalaen for nanopartikler ligger mellem atomer/molekyler og bulkmateriale, hvor den absolutte regel om hverken kvante eller klassisk fysik overholdes, "Forklarede Bakr." Dog, Ag nanopartiklen, vi syntetiserede, var så lille, at den faktisk opfører sig meget som et atom, dvs. et superatom. Da den strukturelle ramme for Ag ₂₅ er næsten identisk med Au ₂₅ , som laver lignende atomarrangementer i 3D -rum, dette særlige atomarrangement muliggør hybridisering af Ag -atomorbitaler og ligandorbitaler (de organiske molekyler, der omgiver metallet) i Ag ₂₅ at producere superatomiske orbitaler, der ligner meget den velkendte Au ₂₅ system. Dette kunne være hovedårsagen til lighederne mellem Ag- og Au -klyngerne, som muligvis ikke er muligt at opnå med individuelle atomer eller bulkmaterialer. "

Selvom resultaterne her viser, at sølv kan erhverve guldets egenskaber, det omvendte kan også være muligt, med guld, der er syntetiseret til at se ud og opføre sig som sølv.

"Hvis sølv kan erhverve ejendomme af guld, der er ingen indlysende årsag til, at det omvendte ikke burde være muligt, "Sagde Bakr.

Denne dobbelthed, hvor en type atom erhverver egenskaberne for en anden, har potentiale til at tilbyde hidtil usete evner inden for nanovidenskabelig forskning, og er et område, som forskerne planlægger at undersøge mere i fremtiden.

Forskerne håber også, at resultaterne vil føre til en bedre forståelse af de grundlæggende forskelle mellem guld og sølv. For eksempel, selvom begge materialer er skinnende metaller, guld er relativt biokompatibelt og undersøges for biomedicin, der henviser til, at sølv er cytotoksisk og bruges i antibakterielle overfladebelægninger. Spørgsmål som disse kan besvares ved at sløre linjerne mellem elementerne, som vi kender dem.

"Vores fremtidige plan er at syntetisere andre størrelser af guldklynger og andre metalanaloger af guldnanopartikler for at undersøge, om disse klynger stadig ville vise gulds adfærd eller ej, "Bakr sagde." Vores mål er at finde billigere erstatninger for guld i applikationer, hvor guld nanopartikler er påkrævet. "

© 2015 Phys.org