Forskere afslører, at magnetisk rust fungerer som guld på nanoskalaen

Forskere fra University of Georgia giver sætningen "omdanne rust til guld" en ny betydning - og gør brugen af ​​guld i forskningsindstillinger og industrielle applikationer langt mere overkommelig.

Forskningen ligner en form for moderne alkymi, sagde Simona Hunyadi Murph, adjungeret professor ved UGA Franklin College of Arts and Sciences afdeling for fysik og astronomi. Forskere kombinerer små mængder guldnanopartikler med magnetiske rustnanopartikler for at skabe en hybrid nanostruktur, der bevarer både egenskaberne af guld og rust.

"Middelalderlige alkymister forsøgte at skabe guld fra andre metaller, "sagde hun." Det var sådan noget vi gjorde med vores forskning. Det er ikke rigtig alkymi, i middelalderlig forstand, men det er en slags version fra det 21. århundrede. "

Guld har længe været en værdifuld ressource for industrien, medicin, tandpleje, computere, elektronik og rumfart, blandt andre, på grund af unikke fysiske og kemiske egenskaber, der gør den inaktiv og modstandsdygtig over for oxidation. Men på grund af dens høje omkostninger og begrænsede udbud, store projekter, der bruger guld, kan være uoverkommelige. På nanoskala, imidlertid, at bruge en meget lille mængde guld er langt mere overkommelig.

I den nye undersøgelse offentliggjort i sommer i Journal of Physical Chemistry C , forskerne brugte løsningskemi til at reducere guldioner til en metallisk guldstruktur ved hjælp af natriumcitrat. I denne proces, hvis andre ingredienser-rust i dette tilfælde-er til stede i reaktionsbeholderen under transformationsprocessen, de metalliske guldstrukturer kerner og vokser på disse "ingredienser, "ellers kendt som understøtninger.

"Vi er virkelig begejstrede for at dele vores nye opdagelser. Når forskere ser på guld som et potentielt materiale til forskning, vi taler om, hvor dyrt guld er. For første gang nogensinde, vi har været i stand til at skabe en ny klasse af billigere, yderst effektiv, ikke -giftig, magnetisk genanvendelige hybrid-nanomaterialer, der indeholder et langt mere rigeligt materiale-rust-end det typiske ædelmetalguld, "sagde Murph, som også er hovedforsker i National Security Directorate ved Savannah River National Laboratory i Aiken, South Carolina.

Når materialer nedbrydes i størrelse for at nå nanometer skala dimensioner-1-100 nanometer, hvilket er cirka 100, 000 gange mindre end menneskehårets diameter-disse stoffer kan få nye egenskaber. For eksempel, bulkguld udviser ikke katalytiske egenskaber; imidlertid, på nanoskala, guld er en effektiv katalysator, accelererende kemisk ændring for mange reaktioner, herunder oxidation, brintproduktion eller reduktion af aromatiske nitroforbindelser.

Guldnanopartikler i forskellige størrelser og former viser forskellige farver, når de påvirkes af lys, fordi de absorberer og spreder lys ved bestemte bølgelængder, kendt som plasmoniske resonanser. Disse plasmoniske resonanser er af særlig interesse for biologiske anvendelser. Hvis nogen skinner lys over guld nanopartikler, det absorberede lys kan omdannes til varme i de omgivende medier, og hvis bakterier eller kræftceller er i nærheden af ​​sådanne guldnanopartikler, de kan ødelægges ved hjælp af lys med passende bølgelængde. Dette fænomen er kendt som fototermisk terapi.

Ved at udskifte noget af nanoguldet med magnetisk nano-rust, forskere viser, at hybrid -guld- og rust -nanostrukturer er i stand til fototermisk at opvarme de omgivende medier lige så effektivt som nanopartikler af rent guld, selv med en betydeligt mindre koncentration af guld.

"På en måde, vi har gjort det lidt bedre end alkymi, "sagde George Larsen, medforsker og postdoktor i Group for Innovation and Advancements in Nano-Technology Sciences ved Savannah River National Laboratory, "fordi disse nye hybrid nanopartikler ikke kun opfører sig bedre end guld i nogle tilfælde, men har også magnetisk funktionalitet. "

Murph og hendes team kiggede på tre forskellige former for hybrid nanopartikler i denne forskningssfære, ringe og rør.

"En anderledes formet nanopartikel betyder, at atomerne er arrangeret forskelligt i terninger, sekskanter eller trekanter, for eksempel, "sagde hun." Et andet atomarrangement betyder forskellige pakningstætheder, afstand mellem atomer, fejl, overfladeareal og overfladeenergi. Forskellige former fører til et øget atomareal, der udsættes for at katalysere en kemisk reaktion. Videnskabeligt set, forskellig form betyder forskellige krystallografiske facetter og overfladeenergi, der kan føre til højere katalytisk aktivitet og forskellige katalytiske produkter.

"Resultaterne af vores forskning viste, at de ring- og rørformede hybrid-nanopartikler viste sig at være bedre katalytiske materialer end de kugleformede nanopartikler på grund af den måde, atomerne er arrangeret i strukturen på denne nanoskala. Endnu vigtigere er, hybrid nanopartiklerne af guld og rust er bedre katalysatorer end guld nanopartikler alene, selv med en betydeligt mindre mængde guld.

Når disse forskellige formede hybrid nanopartikler blev udsat for lys med specifik bølgelængde, kuglerne opvarmede opløsningen til lidt højere temperaturer end de ring- eller rørformede nanopartikler.

"Dette kan have en række biologiske applikationer, såsom sporing, medicinlevering eller billeddannelse inde i kroppen, "Sagde Murph." Hvis du fodrer disse guldnanopartikler til bakterier og skinner lyset over dem, du kunne ødelægge disse ved blot at bruge lys. "

Hybridstrukturer kan også bruges til ny anvendelse, såsom at føle, hypertermi behandling, miljørensning og beskyttelse af medicinske billeddannelsesprogrammer, herunder kontrastmidler til magnetisk resonansbilleddannelse, produktregistrering og manipulation.

Undersøgelsen, "Multifunktionelle hybridfe2O3-Au-nanopartikler til effektiv plasmonopvarmning, "er tilgængelig på www.jove.com/video/53598/multi ... -efficient -plasmonic.