Onderzoekers van de Universiteit van Georgia geven een nieuwe betekenis aan de uitdrukking "roest in goud veranderen" - en maken het gebruik van goud in onderzoeksomgevingen en industriële toepassingen veel betaalbaarder.

Het onderzoek is verwant aan een soort moderne alchemie, zei Simona Hunyadi Murph, adjunct-professor aan de afdeling natuurkunde en sterrenkunde van het UGA Franklin College of Arts and Sciences. Onderzoekers combineren kleine hoeveelheden gouden nanodeeltjes met magnetische roest nanodeeltjes om een ​​hybride nanostructuur te creëren die zowel de eigenschappen van goud als roest behoudt.

"Middeleeuwse alchemisten probeerden goud te maken van andere metalen, "zei ze. "Dat is een beetje wat we met ons onderzoek hebben gedaan. Het is geen echte alchemie, in middeleeuwse zin, maar het is een soort 21e-eeuwse versie."

Goud is lange tijd een waardevolle hulpbron geweest voor de industrie, medicijn, tandheelkunde, computers, elektronica en ruimtevaart, onder andere, vanwege unieke fysische en chemische eigenschappen die het inert en bestand tegen oxidatie maken. Maar vanwege de hoge kosten en het beperkte aanbod, grootschalige projecten waarbij goud wordt gebruikt, kunnen onbetaalbaar zijn. Op nanoschaal is echter, het gebruik van een zeer kleine hoeveelheid goud is veel betaalbaarder.

In de nieuwe studie die deze zomer in de Journal of Physical Chemistry C , de onderzoekers gebruikten oplossingschemie om goudionen te reduceren tot een metallische goudstructuur met behulp van natriumcitraat. In dit proces, als tijdens het transformatieproces andere ingrediënten - in dit geval roest - in de reactiepot aanwezig zijn, de metalen goudstructuren kiemen en groeien op deze "ingrediënten, " ook wel bekend als steunen.

"We zijn erg enthousiast om onze nieuwe ontdekkingen te delen. Wanneer onderzoekers goud beschouwen als een potentieel materiaal voor onderzoek, we praten over hoe duur goud is. Voor de eerste keer ooit, we hebben een nieuwe klasse van goedkopere, zeer efficiënt, niet giftig, magnetisch herbruikbare hybride nanomaterialen die een veel overvloediger materiaal - roest - bevatten dan het typische edelmetaal goud, " zei Murph, die ook een hoofdwetenschapper is in het National Security Directorate van het Savannah River National Laboratory in Aiken, Zuid Carolina.

Wanneer materialen in grootte worden afgebroken om nanometerschaaldimensies-1-100 nanometer te bereiken, dat is ongeveer 100, 000 keer kleiner dan de diameter van mensenhaar - deze stoffen kunnen nieuwe eigenschappen aannemen. Bijvoorbeeld, bulkgoud vertoont geen katalytische eigenschappen; echter, op nanoschaal, goud is een efficiënte katalysator, versnellende chemische verandering voor veel reacties, waaronder oxidatie, waterstofproductie of reductie van aromatische nitroverbindingen.

Gouden nanodeeltjes van verschillende groottes en vormen vertonen verschillende kleuren wanneer ze worden getroffen door licht, omdat ze licht absorberen en verstrooien op specifieke golflengten, bekend als plasmonische resonanties. Deze plasmonische resonanties zijn van bijzonder belang voor biologische toepassingen. Als iemand licht schijnt op de gouden nanodeeltjes, het geabsorbeerde licht kan worden omgezet in warmte in de omringende media, en als bacteriën of kankercellen zich in de buurt van zulke gouden nanodeeltjes bevinden, ze kunnen worden vernietigd door licht van de juiste golflengte te gebruiken. Dit fenomeen staat bekend als fotothermische therapie.

Door een deel van het nano-goud te vervangen door magnetische nano-roest, onderzoekers tonen aan dat de hybride nanostructuren van goud en roest in staat zijn om de omringende media zo efficiënt fotothermisch te verwarmen als nanodeeltjes van puur goud, zelfs met een aanzienlijk kleinere goudconcentratie.

"Op een manier, we hebben het iets beter gedaan dan alchemie, " zei George Larsen, co-onderzoeker en postdoctoraal onderzoeker in de Group for Innovation and Advancements in Nano-Technology Sciences aan het Savannah River National Laboratory, "omdat deze nieuwe hybride nanodeeltjes zich in sommige gevallen niet alleen beter gedragen dan goud, maar hebben ook magnetische functionaliteit."

Murph en haar team keken naar drie verschillende vormen van hybride nanodeeltjes in deze onderzoekssferen, ringen en buizen.

"Een verschillend gevormd nanodeeltje betekent dat de atomen anders zijn gerangschikt - in kubussen, zeshoeken of driehoeken, bijvoorbeeld, "zei ze. "Een andere atoomrangschikking betekent verschillende pakkingsdichtheden, afstand tussen atomen, gebreken, oppervlakte en oppervlakte-energieën. Verschillende vormen leiden tot een groter atoomgebied dat wordt blootgesteld om een ​​chemische reactie te katalyseren. Wetenschappelijk gesproken, andere vorm betekent verschillende kristallografische facetten en oppervlakte-energie die kunnen leiden tot een hogere katalytische activiteit en verschillende katalytische producten.

"De resultaten van ons onderzoek toonden aan dat de ring- en buisvormige hybride nanodeeltjes betere katalytische materialen bleken te zijn dan de bolvormige nanodeeltjes vanwege de manier waarop de atomen op deze nanoschaal in de structuur zijn gerangschikt. Wat nog belangrijker is, de hybride nanodeeltjes van goud en roest zijn betere katalysatoren dan gouden nanodeeltjes alleen, zelfs met een aanzienlijk kleinere hoeveelheid goud.

Toen deze verschillend gevormde hybride nanodeeltjes werden blootgesteld aan licht met een specifieke golflengte, de bolletjes verwarmden de oplossing tot iets hogere temperaturen dan de ring- of buisvormige nanodeeltjes.

"Dit kan verschillende biologische toepassingen hebben, zoals tracking, medicijnafgifte of beeldvorming in het lichaam, Murph zei. "Als je deze gouden nanodeeltjes aan bacteriën voedt en het licht erop laat schijnen, je zou deze kunnen vernietigen door alleen licht te gebruiken."

De hybride structuren kunnen ook worden gebruikt voor nieuwe toepassingen, zoals voelen, hyperthermie behandeling, milieureiniging en bescherming medische beeldvormingstoepassingen, waaronder contrastmiddelen voor magnetische resonantiebeeldvorming, productdetectie en -manipulatie.

De onderzoeksstudie, "Multifunctionele hybride Fe2O3-Au-nanodeeltjes voor efficiënte plasmonische verwarming, " is beschikbaar op www.jove.com/video/53598/multi … -efficient-plasmonic .