Hoewel wetenschappers al tientallen jaren in staat zijn om nanodeeltjes in het laboratorium te synthetiseren, het proces is meestal vallen en opstaan, en hoe de vorming feitelijk plaatsvindt, is onduidelijk. Echter, een onderzoek dat onlangs is gepubliceerd in Natuurcommunicatie door chemische ingenieurs aan de Swanson School of Engineering van de Universiteit van Pittsburgh legt uit hoe metalen nanodeeltjes worden gevormd.

"Thermodynamic Stability of Ligand-Protected Metal Nanoclusters" (DOI:10.1038/ncomms15988) was co-auteur van Giannis Mpourmpakis, assistent-professor chemische en petroleumtechnologie, en promovendus Michael G. Taylor. Het onderzoek, voltooid in Mpourmpakis' Computer-Aided Nano and Energy Lab (C.A.N.E.LA.), wordt gefinancierd via een CAREER-prijs van de National Science Foundation en overbrugt eerder onderzoek gericht op het ontwerpen van nanodeeltjes voor katalytische toepassingen.

"Hoewel er uitgebreid onderzoek is gedaan naar de synthese van metalen nanodeeltjes, er is echt geen rationele verklaring waarom een ​​nanodeeltje wordt gevormd, " zei Dr. Mpourmpakis. "We wilden niet alleen de katalytische toepassingen van nanodeeltjes onderzoeken, maar om een ​​stap verder te gaan en de stabiliteit en vorming van nanodeeltjes te begrijpen. Deze nieuwe thermodynamische stabiliteitstheorie verklaart waarom ligand-beschermde metalen nanoclusters worden gestabiliseerd op specifieke afmetingen."

Een ligand is een molecuul dat zich bindt aan metaalatomen om metaalkernen te vormen die worden gestabiliseerd door een omhulsel van liganden, en dus is het essentieel om te begrijpen hoe ze bijdragen aan de stabilisatie van nanodeeltjes voor elk proces van toepassing van nanodeeltjes. Dr. Mpourmpakis legde uit dat eerdere theorieën die beschrijven waarom nanoclusters gestabiliseerd op specifieke groottes, gebaseerd waren op empirische regels voor het tellen van elektronen - het aantal elektronen dat een elektronische structuur met gesloten schil vormt, maar vertonen beperkingen omdat er experimenteel metalen nanoclusters zijn gesynthetiseerd die niet noodzakelijkerwijs aan deze regels voldoen.

"Het nieuwe van onze bijdrage is dat we hebben onthuld dat er voor experimenteel synthetiseerbare nanoclusters een fijne balans moet zijn tussen de gemiddelde bindingssterkte van de metalen kern van de nanocluster, en de bindingssterkte van de liganden aan de metalen kern, " zei hij. "We zouden dit dan kunnen relateren aan de structurele en compositorische kenmerken van de nanoclusters, zoals maat, aantal metaalatomen, en aantal liganden.

"Nu we een vollediger begrip hebben van deze stabiliteit, we kunnen de morfologieën van nanodeeltjes en op hun beurt de eigenschappen beter afstemmen, tot toepassingen van biolabeling van individuele cellen en gerichte medicijnafgifte tot katalytische reacties, waardoor efficiëntere en duurzamere productieprocessen ontstaan."