Naukowcy z Carnegie Mellon pokazali, że nanocząsteczki złota prezentują niektóre z najbardziej złożonych wzorów natury.

Odsłonienie kalejdoskopu tych wzorów było zadaniem iście herkulesowym. Po raz pierwszy skrystalizowano nanocząsteczkę tej wielkości i odtworzono jej strukturę atom po atomie.

– W nauce, a nawet w codziennym życiu te wzory, te hierarchiczne wzorce są uniwersalne – mówi  profesor chemii Rongchao Jin.  – Nasz wszechświat jest naprawdę piękny i kiedy widzi się takie informacje w czymś tak małym jak nanocząsteczka składająca się ze 133 atomów i tak wielkim jak Droga Mleczna, to jest po prostu nadzwyczajne.

Nanocząsteczki złota o wielkości od 1 do 100 nanometrów stanowią obiecującą technologię stosowaną w wielu dziedzinach, w tym katalizie, elektronice, materiałoznawstwie i służbie zdrowia. Ale aby zastosować nanocząsteczki złota w praktyce najpierw trzeba zrozumieć ich strukturę.

– Struktura w zasadzie determinuje właściwości nanocząsteczki, więc jeśli się nie zna struktury nie można zrozumieć właściwości i nie można ich użyć w konkretnych zastosowaniach – twierdzi Jin, specjalista w tworzeniu precyzyjnych nanocząsteczek złota.

W ostatnim projekcie badawczym Jin i jego koledzy, w tym student podyplomowy Chenjie Zeng, rozwiązali problem struktury nanocząsteczki Au133 składającej się ze 133 atomów złota i 52 powierzchniowych molekuł ochronnych – największej nanocząsteczki badanej za pomocą krystalografii rentgenowskiej. Chociaż mikroskopia może pokazać wielkość, kształt i sieć atomową nanocząsteczek, nie jest w stanie rozpoznać struktury powierzchni. To w stanie jest wykonać krystalografia rentgenowska, mapując położenie każdego atomu na powierzchni nanocząsteczki i pokazując jego wiązania z rdzeniem. Znajomość struktury powierzchni jest kluczem do praktycznego wykorzystania nanocząsteczek np. w katalizie i do poczynienia istotnych odkryć, takich jak podstawy stabilności  cząsteczek.

Struktura krystaliczna nanocząsteczki Au133 ujawniła wiele tajemnic.

– Za pomocą krystalografii rentgenowskiej byliśmy w stanie ujrzeć bardzo piękne wzory, było to fascynujące odkrycie. Wzory  te pokazują się dopiero, kiedy nanocząsteczka jest już wystarczająca duża – mówi Jin.

Podczas produkcji, cząsteczki Au133 same grupują się w trzy warstwy: złoty rdzeń, chroniące go  molekuły powierzchniowe oraz powierzchnia międzyfazowa między nimi. W strukturze kryształowej Zeng odkrył, że złoty rdzeń ma kształt dwudziestościanu. Powierzchnia międzyfazowa pomiędzy rządzeniem a powierzchniową warstwą ochronną składa się z atomów siarki związanych z atomami złota. Kombinacja siarka-złoto-siarka układa się w przypominające drabinę spiralne struktury.  Do molekuł siarki przyłączona jest zewnętrzna warstwa molekuł chroniących powierzchnię, których węglowe końcówki ustawiają się  w poczwórne zawijasy.

– Spirala przypomina podwójną helisę DNA, a obracający się układ końcówek węglowych przypomina naszą galaktykę. To nadzwyczajne – twierdzi Jin. 

Te szczególne cechy odpowiadają za wysoką stabilność Au133 w porównaniu z nanocząsteczkami złota o innej wielkości. Naukowcy przebadali także właściwości optyczne i elektroniczne Au133 i ustalili, że nanocząsteczki złota nie są metaliczne. Normalnie złoto to jeden z najlepszych przewodników elektryczności, lecz Au133 jest tak mała, że nie staje się jeszcze metaliczna. Zespół Jina aktualnie bada możliwości zastosowania nanocząsteczek jako katalizatorów – substancji przyspieszających reakcje chemiczne.

Źródło: http://www.eurekalert.org/pub_releases/2015-04/cmu-cmc040915.php

Zdjęcie: Carnegie Mellon [Struktura nanocząsteczki złota - krystalografia rentgenowska. Atomy złota - kolor fioletowy, atomy siarki - zielony kolor, atomy węgla - kolor szary, atomy wodoru -  kolor biały]