Chemisch hetzelfde, grafiet en diamanten zijn zo fysiek verschillend als twee mineralen kunnen zijn, een ondoorzichtig en zacht, de andere doorschijnend en hard. Wat ze uniek maakt, is hun verschillende rangschikking van koolstofatomen.

Polymorfen, of materialen met dezelfde samenstelling maar verschillende structuren, zijn gebruikelijk in bulkmaterialen, en nu een nieuwe studie in Natuurcommunicatie bevestigt dat ze bestaan ​​in nanomaterialen, te. Onderzoekers beschrijven twee unieke structuren voor de iconische gouden nanocluster Au144(SR)60, beter bekend als Gold-144, inclusief een nog nooit eerder vertoonde versie. Hun ontdekking geeft ingenieurs een nieuw materiaal om te verkennen, samen met de mogelijkheid om andere polymorfe nanodeeltjes te vinden.

"Dit duurde vier jaar om te ontrafelen, " zei Simon Billinge, een natuurkundeprofessor aan Columbia Engineering en een lid van het Data Science Institute. "We hadden niet verwacht dat de clusters meer dan één atomaire rangschikking zouden aannemen, maar deze ontdekking geeft ons meer handvatten om te draaien bij het ontwerpen van clusters met nieuwe en nuttige eigenschappen."

Goud wordt al duizenden jaren gebruikt in munten en sieraden vanwege zijn duurzaamheid, maar krimp het tot maat 10, 000 keer kleiner dan een mensenhaar, en het wordt enorm onstabiel en onvoorspelbaar. Op nanoschaal is goud splijt graag andere deeltjes en moleculen, waardoor het een nuttig materiaal is voor het zuiveren van water, beeldvorming en het doden van tumoren, en het efficiënter maken van zonnepanelen, onder andere toepassingen.

Hoewel er in het laboratorium een ​​verscheidenheid aan nanogouddeeltjes en -moleculen is gemaakt, van zeer weinigen is hun geheime atomaire rangschikking onthuld. Maar onlangs, nieuwe technologieën brengen deze minuscule structuren in beeld.

Onder één benadering, hoogenergetische röntgenstralen worden afgevuurd op een monster van nanodeeltjes. Geavanceerde gegevensanalyse wordt gebruikt om de röntgenverstrooiingsgegevens te interpreteren en de structuur van het monster af te leiden, wat de sleutel is om te begrijpen hoe sterk, reactief of duurzaam de deeltjes kunnen zijn.

Billinge en zijn lab hebben een methode ontwikkeld, de analyse van de atomaire paarverdelingsfunctie (PDF), voor het interpreteren van deze verstrooiingsgegevens. Om de PDF-methode te testen, Billinge vroeg scheikundigen van de Colorado State University om minuscule monsters van Gold-144 te maken, een nanogold-cluster ter grootte van een molecuul dat voor het eerst werd geïsoleerd in 1995. De structuur ervan was theoretisch voorspeld in 2009, en hoewel nooit bevestigd, Gold-144 heeft talloze toepassingen gevonden, ook bij weefselbeeldvorming.

In de hoop dat de test de structuur van Gold-144 zou bevestigen, analyseerden ze de clusters bij de European Synchrotron Radiation Source in Grenoble, en gebruikte de PDF-methode om hun structuur af te leiden. Tot hun verbazing, ze vonden een hoekige kern, en niet de bol-achtige icosahedrale kern voorspeld. Toen ze een nieuw monster maakten en het experiment opnieuw probeerden, dit keer met behulp van synchrotrons in de nationale laboratoria van Brookhaven en Argonne, de structuur kwam bolvormig terug.

"We begrepen niet wat er aan de hand was, maar dieper graven, realiseerden we ons dat we een polymorf hadden, " zei co-auteur Kirsten Jensen, voorheen een postdoctoraal onderzoeker aan Columbia, nu hoogleraar scheikunde aan de Universiteit van Kopenhagen.

Verdere experimenten bevestigden dat het cluster twee versies had, soms samen gevonden, elk met een unieke structuur die aangeeft dat ze zich anders gedragen. De onderzoekers weten nog niet zeker of Gold-144 kan overschakelen van de ene versie naar de andere of, wat precies, onderscheidt de twee vormen.

Om hun ontdekking te doen, de onderzoekers hebben opgelost wat natuurkundigen het inverse probleem van de nanostructuur noemen. Hoe kan de structuur van een klein nanodeeltje in een monster worden afgeleid uit een röntgensignaal dat is gemiddeld over miljoenen deeltjes, elk met verschillende oriëntaties?

"Het signaal is luidruchtig en sterk verslechterd, "zei Billinge. "Het is hetzelfde als proberen te herkennen of de vogel in de boom een ​​roodborstje of een kardinaal is, maar het beeld in je verrekijker is te wazig en vervormd om te zien."

"Onze resultaten demonstreren de kracht van PDF-analyse om de structuur van zeer kleine deeltjes te onthullen, " voegde studie co-auteur Christopher Ackerson toe, een chemieprofessor aan de Colorado State. "Ik heb geprobeerd, uit en aan, voor meer dan 10 jaar om de monokristallijne röntgenstructuur van Gold-144 te krijgen. De aanwezigheid van polymorfen helpt verklaren waarom dit molecuul zo resistent is geweest tegen traditionele methoden."

De PDF-benadering is een van de vele rivaliserende methoden die worden ontwikkeld om de structuur van nanodeeltjes in beeld te brengen. Nu het zichzelf heeft bewezen, het zou kunnen helpen het werk van het beschrijven van andere nanostructuren te versnellen.

Het uiteindelijke doel is om nanodeeltjes te ontwerpen op basis van hun gewenste eigenschappen, in plaats van met vallen en opstaan, door te begrijpen hoe vorm en functie verband houden. Databases van bekende en voorspelde structuren zouden het mogelijk kunnen maken om met een paar muisklikken nieuwe materialen te ontwerpen.

Het onderzoek is een eerste stap.

"We hebben al jaren een structuurmodel voor dit iconische gouden molecuul en dan komt deze studie langs en zegt dat de structuur in principe goed is, maar het heeft een dubbelganger, " zei Robert Whetten, een professor in de chemische fysica aan de Universiteit van Texas, San Antonio, die het team leidde dat eerst Gold-144 isoleerde. "Het leek belachelijk, om twee verschillende structuren te hebben die ten grondslag liggen aan zijn alomtegenwoordigheid, maar dit is een prachtig papier dat veel mensen zal overtuigen."