(Phys.org) - In een daad van "nano-alchemie, " Wetenschappers hebben een zilveren (Ag) nanocluster gesynthetiseerd die vrijwel identiek is aan een gouden (Au) nanocluster. Aan de buitenkant, de zilveren nanocluster heeft een goudgele kleur, en aan de binnenkant, de chemische structuur en eigenschappen lijken ook sterk op die van zijn gouden tegenhanger. Het werk laat zien dat het mogelijk is om zilveren nanodeeltjes te maken die eruitzien en zich gedragen als goud, ondanks onderliggende verschillen tussen de twee elementen. en zou kunnen leiden tot het creëren van vergelijkbare analogen tussen andere paren elementen.

De onderzoekers, onder leiding van Osman Bakr, Associate Professor of Materials Science and Engineering aan de King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) in Saoedi-Arabië, hebben de krant gepubliceerd in een recent nummer van de Tijdschrift van de American Chemical Society .

"In sommige opzichten dit lijkt erg op alchemie, maar we noemen het 'nano-alchemie, '" vertelde Bakr Phys.org . "Toen we voor het eerst het optische spectrum van de zilveren nanocluster tegenkwamen, we dachten dat we per ongeluk de chemische reagentia hadden verwisseld voor zilver met goud, en eindigde in plaats daarvan met gouden nanodeeltjes. Maar herhaalde synthese en metingen bewezen dat de clusters inderdaad zilver waren en toch eigenschappen vertonen die verwant zijn aan goud. Het was echt verrassend voor ons als wetenschappers om niet alleen overeenkomsten te vinden in de kleur en optische eigenschappen, maar ook de röntgenstructuur."

Zoals alle chemische elementen, zilver en goud worden gedefinieerd door hun aantal protonen:zilver heeft 47, en goud heeft 79. Het werk hier verandert niets aan het aantal protonen in een zilveratoom; anders zou het niet langer als zilver worden beschouwd. In plaats daarvan, de onderzoekers synthetiseerden een nanocluster van 25 zilveratomen, samen met 18 andere moleculen genaamd "liganden" die de zilveratomen omringen. Het geheel negatief geladen, op zilver gebaseerd complex ion heeft de chemische formule [Ag ₂₅ (SPhMe ₂ ) ₁₈ ] ^- .

Hoewel er de afgelopen jaren een paar andere zilveren nanoclusters zijn gesynthetiseerd, dit is de eerste zilveren nanocluster met een bijpassende analoog in goud:[Au ₂₅ (SPhMe ₂ ) ₁₈ ] ^- is eerder gemeld. Naast beide nanoclusters met 25 metaalatomen en 18 liganden, ze hebben ook allebei al hun atomen en elektronen op bijna precies dezelfde manier gerangschikt.

In hun studie hebben de onderzoekers voerden tests uit die aantoonden dat de zilveren en gouden nanoclusters zeer vergelijkbare optische eigenschappen hebben. Typisch, zilveren nanoclusters zijn bruin of rood van kleur, maar deze lijkt net op goud omdat hij licht uitstraalt met bijna dezelfde golflengte (ongeveer 675 nm) als goud. De gouden kleur is te verklaren doordat beide nanoclusters vrijwel identieke kristalstructuren hebben.

De wetenschappers onderzochten de kristalstructuur van de zilveren nanocluster met behulp van röntgendiffractie, waarin een röntgenstraal de gekristalliseerde structuur treft en onder verschillende hoeken wordt gereflecteerd om een ​​diffractiepatroon op een detector te creëren. Deze techniek onthulde dat de zilveren nanocluster één zilveratoom heeft in het midden van een 12-puntige sterachtige vorm die een icosaëder wordt genoemd. Terwijl 12 van de andere zilveratomen de 12 punten vormen, de overige 12 zilveratomen bezetten enkele van de vlakken. Deze opstelling is bijna precies hetzelfde als die van de gouden nanocluster, behalve dat drie van de atomen op de vlakken van de zilveren nanocluster in een andere richting zijn gedraaid. Voor zover de wetenschappers kunnen nagaan, de oriëntatie van deze drie atomen is het enige opmerkelijke structurele verschil tussen de zilveren en gouden nanoclusters, en het veroorzaakt een lichte vervorming in de zilveren nanoclusters.

De vraag rijst natuurlijk:waarom lijken deze zilveren en gouden nanoclusters zo op elkaar, wanneer individuele atomen van zilver en goud heel verschillend zijn, in termen van hun optische en structurele eigenschappen? Zoals Bakr uitlegde, het antwoord kan te maken hebben met het feit dat, hoewel groter van formaat, de nanoclusters gedragen zich als "superatomen" in die zin dat hun elektronen om de hele nanocluster draaien alsof het een enkel gigantisch atoom is. Deze superatomaire orbitalen in de zilveren en gouden nanoclusters lijken erg op elkaar, en, in het algemeen, de elektronenconfiguratie van een atoom draagt ​​aanzienlijk bij aan zijn eigenschappen.

"De omvang van nanodeeltjes ligt tussen atomen/moleculen en bulkmateriaal in, waar de absolute regel van noch kwantum noch klassieke fysica wordt waargenomen, " legde Bakr uit. "Echter, het Ag-nanodeeltje dat we synthetiseerden was zo klein dat het zich eigenlijk veel als een atoom gedraagt, d.w.z., een superatoom. Sinds het structurele raamwerk van Ag ₂₅ is bijna identiek aan Au ₂₅ , die soortgelijke atomaire arrangementen maakt in de 3D-ruimte, deze speciale atomaire opstelling zorgt voor de hybridisatie van Ag-atoomorbitalen en ligandorbitalen (de organische moleculen die het metaal omringen) in Ag ₂₅ om superatomaire orbitalen te produceren die erg lijken op de bekende Au ₂₅ systeem. Dit zou de belangrijkste reden kunnen zijn voor de waargenomen overeenkomsten tussen de Ag- en Au-clusters, wat misschien niet mogelijk is met individuele atomen of bulkmaterialen."

Hoewel de resultaten hier laten zien dat zilver de eigenschappen van goud kan krijgen, het omgekeerde kan ook mogelijk zijn, waarbij goud wordt gesynthetiseerd om eruit te zien en zich te gedragen als zilver.

"Als zilver eigenschappen van goud kan krijgen, er is geen duidelijke reden waarom het omgekeerde niet mogelijk zou zijn, ' zei Bakr.

Deze dualiteit, waarin het ene type atoom de eigenschappen van een ander verkrijgt, heeft het potentieel om ongekende mogelijkheden te bieden in nanowetenschappelijk onderzoek, en is een gebied dat de wetenschappers van plan zijn in de toekomst meer te onderzoeken.

De onderzoekers hopen ook dat de resultaten leiden tot een beter begrip van de fundamentele verschillen tussen goud en zilver. Bijvoorbeeld, hoewel beide materialen glanzende metalen zijn, goud is relatief biocompatibel en wordt onderzocht voor biogeneeskunde, terwijl zilver cytotoxisch is en wordt gebruikt in antibacteriële oppervlaktecoatings. Vragen als deze kunnen worden beantwoord door de lijnen tussen de elementen zoals we ze kennen te vervagen.

"Ons toekomstplan is om goudclusters van andere afmetingen en andere metaalanalogen van gouden nanodeeltjes te synthetiseren om te onderzoeken of deze clusters nog steeds het gedrag van goud zouden vertonen of niet, "Zei Bakr. "Ons doel is om goedkopere vervangers voor goud te vinden in toepassingen waar gouden nanodeeltjes nodig zijn."

© 2015 Fys.org