Guld buckyballs, ofte brugte nanopartikelfrø fundet at være en og samme

Rice University kemikere har opdaget, at bittesmå guld-"frø"-partikler, en nøgleingrediens i en af ​​de mest almindelige nanopartikelopskrifter, er en og den samme som guld-buckyballs, 32-atoms sfæriske molekyler, der er fætre til kulstof-buckyballs opdaget på Rice i 1985.

Carbon buckyballs er hule 60-atom molekyler, der blev medopdaget og navngivet af den afdøde Rice kemiker Richard Smalley. Han kaldte dem "buckminsterfullerenes", fordi deres atomstruktur mindede ham om arkitekten Buckminster Fullers geodætiske kupler, og "fullerene"-familien er vokset til at omfatte snesevis af hule molekyler.

I 2019 opdagede Rice-kemikerne Matthew Jones og Liang Qiao, at gyldne fullerener er de guld-"frø"-partikler, kemikere længe har brugt til at fremstille guld-nanopartikler. Fundet kom blot et par måneder efter den første rapporterede syntese af guld-buckyballs, og det afslørede, at kemikere ubevidst havde brugt de gyldne molekyler i årtier.

"Det, vi taler om, er uden tvivl den mest allestedsnærværende metode til at generere noget nanomateriale," sagde Jones. "Og grunden er, at det bare er så utroligt simpelt. Du behøver ikke specialudstyr til dette. Gymnasieelever kan gøre det."

Jones, Qiao og medforfattere fra Rice, Johns Hopkins University, George Mason University og Princeton University brugte år på at samle beviser for at verificere opdagelsen og offentliggjorde for nylig deres resultater i Nature Communications .

Jones, en assisterende professor i kemi og materialevidenskab og nanoteknik ved Rice, sagde, at viden om, at guldnanopartikler syntetiseres fra molekyler, kunne hjælpe kemikere med at afdække mekanismerne bag disse synteser.

"Det er det store billede for, hvorfor dette arbejde er vigtigt," sagde han.

Jones sagde, at forskere opdagede i begyndelsen af ​​2000'erne, hvordan man kunne bruge guldfrøpartikler i kemiske synteser, der producerede mange former for guldnanopartikler, herunder stænger, terninger og pyramider.

"Det er virkelig tiltalende at være i stand til at kontrollere partikelformen, fordi det ændrer mange af egenskaberne," sagde Jones, en assisterende professor i kemi og materialevidenskab og nanoteknik ved Rice. "Dette er den syntese, som næsten alle bruger. Den har været brugt i 20 år, og i hele den periode blev disse frø simpelthen beskrevet som 'partikler'."

Jones og Qiao, en tidligere postdoc-forsker i Jones' laboratorium, ledte ikke efter guld-32 i 2019, men de lagde mærke til det i massespektrometri-aflæsninger. Opdagelsen af ​​kulstof-60 buckyballs skete på lignende måde. Og tilfældighederne stopper ikke der. Jones er Norman og Gene Hackerman adjunkt i kemi ved Rice. Smalley, der delte Nobelprisen i kemi i 1996 med Rice's Robert Curl og Det Forenede Kongeriges Harold Kroto, var en Hackerman-leder i kemi hos Rice i mange år før hans død i 2005.

Bekræftelse af, at de meget anvendte frø var guld-32-molekyler snarere end nanopartikler, krævede mange års indsats, herunder avanceret billeddannelse af Yimo Han's forskningsgruppe på Rice og detaljerede teoretiske analyser af grupperne af både Rigoberto Hernandez ved Johns Hopkins og Andre Clayborne hos George Mason.

Jones sagde, at skelnen mellem nanopartikel og molekyle er vigtig og en nøgle til at forstå undersøgelsens potentielle virkning.

"Nanopartikler er typisk ens i størrelse og form, men de er ikke identiske," sagde Jones. "Hvis jeg laver en batch af 7 nanometer sfæriske guldnanopartikler, vil nogle af dem have præcis 10.000 atomer, men andre kan have 10.023 eller 9.092.

"Molekyler er på den anden side perfekte," sagde han. "Jeg kan skrive en formel for et molekyle. Jeg kan tegne et molekyle. Og hvis jeg laver en opløsning af molekyler, er de alle nøjagtig ens i antallet, typen og forbindelsen af ​​deres atomer."

Jones sagde, at nanovidenskabsmænd har lært, hvordan man syntetiserer mange nyttige nanopartikler, men fremskridt er ofte kommet via forsøg og fejl, fordi "der praktisk talt ikke er nogen mekanistisk forståelse" af deres syntese.

"Problemet her er ret ligetil," sagde han. "Det er ligesom at sige," Jeg vil have, at du bager mig en kage, og jeg vil give dig en masse hvide pulvere, men jeg vil ikke fortælle dig, hvad de er. Selvom du har en opskrift, hvis du ikke ved, hvad udgangsmaterialerne er, er det et mareridt at finde ud af, hvilke ingredienser der gør hvad."

"Jeg ønsker, at nanovidenskab skal være som organisk kemi, hvor du i det væsentlige kan lave, hvad du vil, med hvilke egenskaber du vil," sagde Jones.

Han sagde, at organiske kemikere har udsøgt kontrol over stoffet, "fordi kemikere før dem udførte et utroligt detaljeret mekanistisk arbejde for at forstå alle de præcise måder, hvorpå disse reaktioner fungerer. Det er vi meget, meget langt fra inden for nanovidenskab, men den eneste måde, vi vil nogensinde at komme dertil er ved at udføre arbejde som dette og mekanisk forstå, hvad vi starter med, og hvordan tingene opstår."

Flere oplysninger: Liang Qiao et al., Atomisk præcise nanoklynger, der overvejende frøer guld nanopartikelsynteser, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40016-3

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Rice University