Onderzoekers van de Universiteit van Jyväskylä, Finland, en Colorado State University, VS, hebben voor de eerste keer ooit het dynamische gedrag van de ligandlaag van een in water oplosbare gouden nanocluster in oplossing bepaald. De doorbraak opent een weg naar beheersbare strategieën voor het functionaliseren van geligeerde nanodeeltjes voor toepassingen. Het werk aan de Universiteit van Jyväskylä werd ondersteund door de Academie van Finland. Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurcommunicatie op 21 januari 2016.

Gouddeeltjes op nanometerschaal worden intensief onderzocht voor toepassingen als katalysatoren, sensoren, medicijnafgifteapparaten en biologische contrastmiddelen en als componenten in fotonica en moleculaire elektronica. De kleinste deeltjes hebben metalen kernen van slechts 1-2 nm met enkele tientallen tot een paar honderd goudatomen. Hun metalen kernen zijn bedekt met een stabiliserende organische ligandlaag. De molecuulformules en atomaire structuur in vaste toestand van veel van deze verbindingen, genaamd "clusters", zijn de afgelopen jaren opgelost. Nog altijd, het is een grote uitdaging om hun atomaire schaalstructuur en dynamisch gedrag in de oplossingsfase te begrijpen. Dit is cruciale informatie die onderzoekers kan helpen begrijpen hoe nanoclusters omgaan met de omgeving.

De onderzoekers bestudeerden een eerder geïdentificeerd moleculair precieze nanocluster met 102 goudatomen en 44 thiol-liganden (Figuur 1, Rechtsaf). De vastestofstructuur van dit cluster werd in 2007 opgelost door middel van röntgendiffractie-experimenten met één kristal. De ligandschaal heeft een lage symmetrie en produceert een groot aantal signalen bij conventionele proton-NMR-metingen (Figuur 1, links). De onderzoekers bereikten een volledige toewijzing van alle signalen aan specifieke thiol-liganden door een combinatie van gecorreleerde nucleaire magnetische resonantie (NMR) experimenten te gebruiken, dichtheidsfunctionaaltheorie berekeningen en moleculaire dynamica simulaties.

De Finse onderzoekers van Jyväskylä hebben eerder dit specifieke clustermateriaal gebruikt, bijvoorbeeld, voor structurele studies van enterovirussen.

"Nu we precies weten welk ligand welk NMR-signaal produceert, we kunnen doorgaan met nauwkeurige studies over hoe deze nanocluster interageert met de chemische en biologische omgeving in de waterfase. Dit geeft een ongekend potentieel om de anorganisch-organische interfaces die relevant zijn voor hybride anorganisch-biologische materialen te begrijpen en te beheersen, ", zegt Academiehoogleraar Hannu Häkkinen van het Nanoscience Center aan de Universiteit van Jyväskylä. Häkkinen coördineerde het werk van het Fins-Amerikaanse team.