(PhysOrg.com) -- Soms kan de natuur niet verbeterd worden. Een voorbeeld is de synthese van nanomaterialen, die in het laboratorium of de fabriek over het algemeen giftige chemicaliën en extreme omstandigheden van temperatuur en druk vereisen. Maar over miljoenen jaren, de natuur heeft manieren ontwikkeld om anorganische nanokristallen samen te stellen bij milde temperaturen en drukken. Meestal is dit proces bekend als biomineralisatie, omvat calciumcarbonaat of fosfaat voor doeleinden zoals het bouwen van botten of schelpen, maar een andere interessante variatie wordt gezien in de kristallisatie van goud uit oplossing door bepaalde soorten bacteriën. Een groep onderzoekers heeft een uniek experiment bedacht om dit natuurlijke proces van biomineralisatie na te bootsen om georiënteerde gouden nanokristallen te creëren en hun vorming te onderzoeken bij de Advanced Photon Source (APS) van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science in het Argonne National Laboratory.

Werken bij de ChemMatCARS 15-ID beamline bij het APS, de onderzoekers van de Northwestern University en de University of Chicago dreven Langmuir-monolagen van octadecaanthiol (C18S) op oplossingen van chloorgoudzuur (HAuCl4) bij kamertemperatuur en druk, gebruikte vervolgens een monochromatische 10 keV röntgenstraal, zowel als een reductiemiddel om goudkristallisatie te induceren en als een sonde om het grensvlak te onderzoeken door middel van röntgendiffractie met begrazingsincidentie (GID, Figuur 1). (De experimenten werden herhaald in sector X14A van National Synchrotron Light Source om te bevestigen dat de resultaten geen artefacten waren van de opstelling of de straal.)

"Zelfassemblage van organische moleculen is bekend en goed bestudeerd op gouden oppervlakken, en we wilden deze kennis uit dat veld gebruiken om gouden nanodeeltjes te laten groeien met behulp van een organisch sjabloon, ", zegt Ahmet Uysal, eerste auteur van het artikel Physical Review Letters over het resultaat van de groep.

Door de onderkant van de drijvende Langmuir-monolaag met goud te bedekken, de onderzoekers keerden in wezen het SAM (zelf-geassembleerde monolaag) creatieproces om en gebruikten het als een analoog voor biomineralisatie. Co-auteur Pulak Dutta merkte op:"Alkylthiol SAM's hebben een structuur die perfect past bij het (111) gezicht van goud. Hierdoor geïnspireerd, we maakten Langmuir-monolagen op aurochloorzuuroplossingen, en toen groeiden we er goudkristallen onder door röntgenstralen te gebruiken om het goud te verminderen.

Daarbij, voegde Uysal toe, "we kunnen de moleculaire interacties aan het grensvlak zien, hoe de organische molecuulstructuren veranderen tijdens het proces, en tegelijkertijd ook de oppervlaktestructuren van de gouden nanodeeltjes. In plaats van trial-and-error-methoden om gouden nanodeeltjes te laten groeien, we zien het proces op nanoschaal gaande zijn.” Het werk biedt belangrijke inzichten in de feitelijke moleculaire interacties.

De GID-pieken laten zien dat zich goudkristallen hebben gevormd op het thioloppervlak, met een (111) oriëntatie die evenredig is met de organische sjabloon. Monsters van de goudkristallen werden afgebeeld met transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), met plaatachtige hexagonale nanokristallen van ongeveer 50 nm breed (figuur 2). De thiolmonolaag gedraagt ​​zich als een zachte mal, verandert zichzelf om de vorming van de nanokristallen mogelijk te maken.

Het is dit aanpassingsvermogen van de monolaag die de groei van de georiënteerde gouden nanodeeltjes bevordert. “Het feit dat we goud kunnen ‘misleiden’ om op een kristallografisch georiënteerde manier te groeien, is het belangrijkste nieuws in deze krant, Dutta wijst erop. “Net als bij SAM’s, de structuur van de organische monolaag komt overeen met de structuur van het gouden oppervlak, en deze roosterovereenkomst zorgt ervoor dat goudkristallen willen groeien met alle (111) vlakken die dezelfde kant op wijzen.

Door een methode te tonen waarmee organische moleculen kunnen worden gebruikt om de vorm te controleren, maat, en kristallografische oriëntatie van anorganische nanokristallen in een milde omgeving, de onderzoekers hebben een weg geopend voor de ontwikkeling van verbeterde productieprocessen voor nanomaterialen. Hoewel de huidige technieken met hoge temperaturen en hard vacuüm grote opbrengsten opleveren, ze zijn ook duurder en minder milieuvriendelijk. Uysal legt uit, "Het begrijpen van de basisprincipes van de interactie kan helpen om de opbrengst van deze meer 'groene' methoden te vergroten." Dutta voegt eraan toe dat "dit een proces is dat onder normale omstandigheden plaatsvindt. Het is waar dat röntgenstralen worden gebruikt om het goud te verminderen, maar een dergelijke reductie kan ook chemisch gebeuren, zo doen bacteriën dat.”

De volgende stap, zegt Uysal, is "om de rol van de chemie en de structuur van de monolaag in de oriëntatie en vorm van gouden nanodeeltjes te kwantificeren. Er zijn andere functionele groepen in levende organismen zoals amine- en carboxylgroepen. We willen zien wat werkt en wat niet. Het uiteindelijke doel is, natuurlijk, om sjablonen te kunnen ontwerpen voor de gewenste vormen en oriëntaties van nanodeeltjes.” Dutta voegt toe, “Door slim te zijn in het plaatsen van de juiste moleculen op de sjabloon, we moeten betere materialen kunnen maken voor fotonica of andere doeleinden.”