Onze wereld zit vol met patronen, van de draaiing van een DNA-molecuul tot de spiraal van de Melkweg. Nieuw onderzoek van de chemici van Carnegie Mellon heeft aangetoond dat kleine, synthetische gouden nanodeeltjes vertonen enkele van de meest ingewikkelde patronen van de natuur.

Het ontsluieren van de caleidoscoop van deze patronen was een enorme taak, en het is de eerste keer dat een nanodeeltje van deze grootte is gekristalliseerd en de structuur atoom voor atoom in kaart is gebracht. De onderzoekers rapporteren hun werk in het nummer van 20 maart van wetenschappelijke vooruitgang .

"Als je in grote lijnen nadenkt over verschillende onderzoeksgebieden of zelfs ons dagelijks leven, dit soort patronen, deze hiërarchische patronen, zijn universeel, " zei Rongchao Jin, universitair hoofddocent scheikunde. "Ons universum is echt mooi en als je dit soort informatie ziet in iets zo klein als een nanodeeltje van 133 atomen en zo groot als de Melkweg, het is echt geweldig."

Gouden nanodeeltjes, die in grootte kan variëren van 1 tot 100 nanometer, zijn een veelbelovende technologie die toepassingen heeft op een groot aantal gebieden, waaronder katalyse, elektronica, materiaalkunde en gezondheidszorg. Maar, om gouden nanodeeltjes in praktische toepassingen te gebruiken, wetenschappers moeten eerst de structuur van de kleine deeltjes begrijpen.

"Structuur bepaalt in wezen de eigenschappen van het deeltje, dus zonder de structuur te kennen, je zou de eigenschappen niet kunnen begrijpen en je zou ze niet kunnen functionaliseren voor specifieke toepassingen, " zei Jin, een expert in het maken van atomair nauwkeurige gouden nanodeeltjes.

Met dit laatste onderzoek Jin en zijn collega's, inclusief afgestudeerde student Chenjie Zeng, de structuur van een nanodeeltje hebben opgelost, Au133, bestaande uit 133 goudatomen en 52 oppervlaktebeschermende moleculen - de grootste nanodeeltjesstructuur die ooit is opgelost met röntgenkristallografie. Hoewel microscopie de grootte kan onthullen, vorm en het atomaire rooster van nanodeeltjes, het kan de oppervlaktestructuur niet onderscheiden. Röntgenkristallografie kan, door de positie van elk atoom op het oppervlak van de nanodeeltjes in kaart te brengen en te laten zien hoe ze zich hechten aan de gouden kern. Het kennen van de oppervlaktestructuur is de sleutel tot het gebruik van de nanodeeltjes voor praktische toepassingen, zoals katalyse, en voor het blootleggen van fundamentele wetenschap, zoals de basis van de stabiliteit van het deeltje.

De kristalstructuur van het Au133-nanodeeltje onthulde veel geheimen.

"Met röntgenkristallografie, we hebben hele mooie patronen kunnen zien, wat een zeer opwindende ontdekking was. Deze patronen verschijnen pas als de nanodeeltjes groot genoeg worden, ' zei Jin.

Tijdens de productie, de Au133-deeltjes assembleren zichzelf in drie lagen binnen elk deeltje:de gouden kern, de oppervlaktemoleculen die het beschermen en het grensvlak tussen de twee. In de kristalstructuur, Zeng ontdekte dat de gouden kern de vorm heeft van een icosaëder. Op het grensvlak tussen de kern en de oppervlaktebeschermende moleculen bevindt zich een laag zwavelatomen die zich binden met de goudatomen. De combinaties van zwavel-goud-zwavel stapelen zich op in ladderachtige spiraalvormige structuren. Eindelijk, gehecht aan de zwavelmoleculen is een buitenste laag van oppervlaktebeschermende moleculen waarvan de koolstofstaarten zichzelf assembleren tot viervoudige wervelingen.

"De spiraalvormige kenmerken doen ons denken aan een dubbele DNA-helix en de roterende opstelling van de koolstofstaarten doet denken aan de manier waarop onze melkweg is gerangschikt. Het is echt verbazingwekkend, ' zei Jin.

Deze specifieke patronen zijn verantwoordelijk voor de hoge stabiliteit van Au133 in vergelijking met andere maten gouden nanodeeltjes. De onderzoekers testten ook de optische en elektronische eigenschappen van Au133 en ontdekten dat deze gouden nanodeeltjes niet van metaal zijn. Normaal gesproken, goud is een van de beste geleiders van elektrische stroom, maar de grootte van Au133 is zo klein dat het deeltje nog niet metaalachtig is geworden. De groep van Jin test momenteel de nanodeeltjes voor gebruik als katalysatoren, stoffen die de snelheid van een chemische reactie kunnen verhogen.