Opdagelse af guld nanokluster dobbelte antydninger til andre formændrende partikler

Kemisk det samme, grafit og diamanter er så fysisk forskellige, som to mineraler kan være, en uigennemsigtig og blød, den anden gennemskinnelig og hård. Det, der gør dem unikke, er deres forskellige arrangement af carbonatomer.

Polymorfer, eller materialer med samme sammensætning, men forskellige strukturer, er almindelige i bulk materialer, og nu en ny undersøgelse i Naturkommunikation bekræfter, at de findes i nanomaterialer, også. Forskere beskriver to unikke strukturer for den ikoniske guld -nanokluster Au144 (SR) 60, bedre kendt som Gold-144, herunder en version, der aldrig er set før. Deres opdagelse giver ingeniører et nyt materiale at udforske, sammen med muligheden for at finde andre polymorfe nanopartikler.

"Det tog fire år at opklare, sagde Simon Billinge, en fysikprofessor ved Columbia Engineering og medlem af Data Science Institute. "Vi forventede ikke, at klyngerne skulle indtage mere end et atomarrangement. Men denne opdagelse giver os flere håndtag at vende, når vi forsøger at designe klynger med nye og nyttige egenskaber."

Guld har været brugt i mønter og smykker i tusinder af år for sin holdbarhed, men reducer den til en størrelse 10, 000 gange mindre end et menneskehår, og det bliver vildt ustabilt og uforudsigeligt. På nanoskala, guld deler gerne andre partikler og molekyler fra hinanden, gør det til et nyttigt materiale til rensning af vand, billeddannelse og dræbelse af tumorer, og gøre solpaneler mere effektive, blandt andre applikationer.

Selvom der er lavet en række nanoguldpartikler og molekyler i laboratoriet, meget få har fået deres hemmelige atomarrangement afsløret. Men for nylig, nye teknologier bringer disse små strukturer i fokus.

Under en tilgang, røntgenstråler med høj energi affyres mod en prøve af nanopartikler. Avanceret dataanalyse bruges til at fortolke røntgenspredningsdata og udlede prøvens struktur, hvilket er nøglen til at forstå, hvor stærk, reaktive eller holdbare partiklerne kan være.

Billinge og hans laboratorium har foregået en metode, atomparfordelingsfunktionen (PDF) analyse, for at fortolke disse spredningsdata. For at teste PDF -metoden, Billinge bad kemikere ved Colorado State University om at lave små prøver af Gold-144, en nanoguldklynge i molekylstørrelse, der først blev isoleret i 1995. Dens struktur var teoretisk blevet forudsagt i 2009, og dog aldrig bekræftet, Gold-144 har fundet mange applikationer, herunder i vævsbilleddannelse.

I håb om at testen ville bekræfte Gold-144s struktur, de analyserede klyngerne ved European Synchrotron Radiation Source i Grenoble, og brugte PDF -metoden til at udlede deres struktur. Til deres overraskelse, de fandt en kantet kerne, og ikke den kuglelignende icosahedral kerne forudsagt. Da de lavede en ny prøve og forsøgte forsøget igen, denne gang ved hjælp af synkrotroner på Brookhaven og Argonne nationale laboratorier, strukturen kom sfærisk tilbage.

"Vi forstod ikke, hvad der foregik, men grave dybere, vi indså, at vi havde en polymorf, "sagde studieforfatter Kirsten Jensen, tidligere postdoktor ved Columbia, nu kemiprofessor ved Københavns Universitet.

Yderligere forsøg bekræftede, at klyngen havde to versioner, nogle gange fundet sammen, hver med en unik struktur, der angiver, at de opfører sig forskelligt. Forskerne er stadig usikre på, om Gold-144 kan skifte fra den ene version til den anden eller, hvad præcist, adskiller de to former.

For at gøre deres opdagelse, forskerne løste, hvad fysikere kalder nanostrukturen omvendt problem. Hvordan kan strukturen af ​​en lille nanopartikel i en prøve udledes af et røntgensignal, der er blevet gennemsnittet over millioner af partikler, hver med forskellige retninger?

"Signalet er støjende og stærkt forringet, "sagde Billinge." Det svarer til at forsøge at genkende, om fuglen i træet er en robin eller en kardinal, men billedet i din kikkert er for sløret og forvrænget til at sige. "

"Vores resultater demonstrerer kraften i PDF -analyse til at afsløre strukturen af ​​meget små partikler, "tilføjede studiemedforfatter Christopher Ackerson, en kemiprofessor ved Colorado State. "Jeg har prøvet, af og på, i mere end 10 år for at få single-crystal røntgenstrukturen af ​​Gold-144. Tilstedeværelsen af ​​polymorfer hjælper med at forklare, hvorfor dette molekyle har været så modstandsdygtigt over for traditionelle metoder. "

PDF -tilgangen er en af ​​flere rivaliserende metoder, der udvikles for at bringe nanopartikelstruktur i fokus. Nu hvor det har bevist sig selv, det kunne hjælpe med at fremskynde arbejdet med at beskrive andre nanostrukturer.

Det endelige mål er at designe nanopartikler efter deres ønskede egenskaber, frem for gennem forsøg og fejl, ved at forstå, hvordan form og funktion hænger sammen. Databaser over kendte og forudsagte strukturer kunne gøre det muligt at designe nye materialer med et par museklik.

Undersøgelsen er et første skridt.

"Vi har haft en strukturmodel for dette ikoniske guldmolekyle i årevis, og så kommer denne undersøgelse og siger, at strukturen stort set er rigtig, men den har en dobbeltgænger, "sagde Robert Whetten, professor i kemisk fysik ved University of Texas, San Antonio, der ledede holdet, der først isolerede Gold-144. "Det virkede latterligt, at have to forskellige strukturer, der ligger til grund for dets allestedsnærværende, men dette er et smukt papir, der vil overtale mange mennesker. "