Een experiment dat met opzet, niet de bedoeling was om iets opmerkelijks op te duiken, maar produceerde een "verbijsterende" verrassing, volgens de Stanford-wetenschappers die de ontdekking deden:een nieuwe manier om gouden nanodeeltjes en nanodraden te maken met behulp van waterdruppels.

De techniek, gedetailleerd 19 april in het journaal Natuurcommunicatie , is de nieuwste ontdekking op het nieuwe gebied van druppelchemie en zou kunnen leiden tot milieuvriendelijkere manieren om nanodeeltjes van goud en andere metalen te produceren, zei studieleider Richard Zare, een chemicus in de School of Humanities and Sciences en een mede-oprichter van Stanford Bio-X.

"Als je reacties in water kunt doen, hoef je je geen zorgen te maken over besmetting. Het is groene chemie, " zei Zare, wie is de Marguerite Blake Wilbur Professor in Natural Science aan Stanford.

edelmetaal

Goud staat bekend als een edelmetaal omdat het relatief onreactief is. In tegenstelling tot onedele metalen zoals nikkel en koper, goud is bestand tegen corrosie en oxidatie, dat is een van de redenen waarom het zo'n populair metaal is voor sieraden.

Rond het midden van de jaren tachtig, echter, wetenschappers ontdekten dat de chemische afstandelijkheid van goud zich alleen in het algemeen manifesteert, of macroscopisch, schubben. Op nanometerschaal is gouddeeltjes zijn zeer chemisch reactief en vormen uitstekende katalysatoren. Vandaag, gouden nanostructuren hebben een rol gevonden in een breed scala aan toepassingen, inclusief bio-imaging, medicijnafgifte, detectie van giftige gassen en biosensoren.

Tot nu, echter, de enige betrouwbare manier om gouden nanodeeltjes te maken was om de goudvoorloper chloorgoudzuur te combineren met een reductiemiddel zoals natriumboorhydride.

De reactie brengt elektronen over van het reductiemiddel naar het chloorgoudzuur, daarbij goudatomen vrijmaken. Afhankelijk van hoe de goudatomen dan samenklonteren, ze kunnen kralen van nanogrootte vormen, draden, staven, prisma's en meer.

Een spritz van goud

Onlangs, Zare en zijn collega's vroegen zich af of deze goudproducerende reactie anders zou verlopen met kleine, druppeltjes chloorgoudzuur en natriumboorhydride ter grootte van micron. Hoe groot is een microdruppel? "Het is alsof je in een parfumflesje knijpt en een nevel van microdruppels spuit, ' zei Zare.

Uit eerdere experimenten, de wetenschappers wisten dat sommige chemische reacties veel sneller verlopen in microdruppeltjes dan in grotere oplossingsvolumes.

Inderdaad, het team merkte op dat gouden nanodeeltjes meer dan 100 groeiden, 000 keer sneller in microdruppeltjes. Echter, de meest opvallende observatie kwam tijdens het uitvoeren van een controle-experiment waarin ze het reductiemiddel - dat normaal de gouddeeltjes vrijgeeft - vervingen door microdruppeltjes water.

"Tot onze verbijstering, we ontdekten dat gouden nanostructuren gemaakt konden worden zonder toegevoegde reductiemiddelen, " zei studie eerste auteur Jae Kyoo Lee, een onderzoeksmedewerker.

Onder een elektronenmicroscoop bekeken, de gouden nanodeeltjes en nanodraden lijken samengesmolten als bessentrossen op een tak.

De verrassende bevinding betekent dat microdruppeltjes van zuiver water kunnen dienen als microreactoren voor de productie van gouden nanostructuren. "Dit is nog meer bewijs dat reacties in waterdruppels fundamenteel kunnen verschillen van die in bulkwater, " zei co-auteur Devleena Samanta, een voormalig afgestudeerde student in het laboratorium van Zare en co-auteur van het papier.

Als het proces kan worden opgeschaald, het zou de noodzaak kunnen wegnemen van potentieel giftige reductiemiddelen die schadelijke bijwerkingen voor de gezondheid hebben of die waterwegen kunnen vervuilen, zei Zare.

Het is nog steeds onduidelijk waarom watermicrodruppeltjes een reductiemiddel in deze reactie kunnen vervangen. Een mogelijkheid is dat het transformeren van het water in microdruppels het oppervlak aanzienlijk vergroot, het creëren van de mogelijkheid voor de vorming van een sterk elektrisch veld op het grensvlak lucht-water, die de vorming van gouden nanodeeltjes en nanodraden kunnen bevorderen.

"Het oppervlak bovenop een beker water van één liter is minder dan één vierkante meter. Maar als je het water in die beker verandert in microdruppels, je krijgt er ongeveer 3, 000 vierkante meter oppervlakte - ongeveer de grootte van een half voetbalveld, ' zei Zare.

Het team onderzoekt manieren om de nanostructuren te gebruiken voor verschillende katalytische en biomedische toepassingen en om hun techniek te verfijnen om goudfilms te maken.

"We hebben een netwerk van nanodraden waargenomen die de vorming van een dunne laag nanodraden mogelijk maken, ' zei Samantha.