De scheikundigen van Rice University hebben ontdekt dat kleine gouden ‘zaad’-deeltjes, een belangrijk ingrediënt in een van de meest voorkomende recepten voor nanodeeltjes, hetzelfde zijn als gouden buckyballs, bolvormige moleculen met 32 ​​atomen die neven zijn van de koolstof-buckyballs ontdekt bij Rice in 1985.

Koolstofbuckyballs zijn holle moleculen van 60 atomen die mede werden ontdekt en benoemd door wijlen Rice-chemicus Richard Smalley. Hij noemde ze 'buckminsterfullereen' omdat hun atomaire structuur hem deed denken aan de geodetische koepels van architect Buckminster Fuller, en de 'fullereen'-familie is uitgegroeid tot tientallen holle moleculen.

In 2019 ontdekten rijstchemici Matthew Jones en Liang Qiao dat gouden fullerenen de gouden "zaad" -deeltjes zijn die scheikundigen al lang gebruiken om gouden nanodeeltjes te maken. De vondst kwam slechts een paar maanden na de eerste gerapporteerde synthese van gouden buckyballs, en onthulde dat scheikundigen de gouden moleculen al tientallen jaren onbewust gebruikten.

"Waar we het over hebben is misschien wel de meest alomtegenwoordige methode voor het genereren van welk nanomateriaal dan ook," zei Jones. "En de reden is dat het zo ongelooflijk eenvoudig is. Je hebt hier geen speciale apparatuur voor nodig. Middelbare scholieren kunnen het doen."

Jones, Qiao en co-auteurs van Rice, Johns Hopkins University, George Mason University en Princeton University hebben jarenlang bewijsmateriaal verzameld om de ontdekking te verifiëren, en publiceerden onlangs hun resultaten in Nature Communications .

Jones, een assistent-professor in scheikunde en materiaalkunde en nano-engineering bij Rice, zei dat de kennis dat gouden nanodeeltjes worden gesynthetiseerd uit moleculen, scheikundigen zou kunnen helpen de mechanismen van die syntheses bloot te leggen.

"Dat is het grote plaatje waarom dit werk belangrijk is", zei hij.

Jones zei dat onderzoekers begin jaren 2000 ontdekten hoe ze goudzaaddeeltjes konden gebruiken in chemische syntheses die vele vormen van gouden nanodeeltjes produceerden, waaronder staafjes, kubussen en piramides.

"Het is erg aantrekkelijk om de vorm van de deeltjes te kunnen beheersen, omdat dat veel van de eigenschappen verandert", zegt Jones, assistent-professor in de chemie en materiaalkunde en nano-engineering bij Rice. "Dit is de synthese die bijna iedereen gebruikt. Het wordt al twintig jaar gebruikt en gedurende die hele periode werden deze zaden simpelweg omschreven als 'deeltjes'."

Jones en Qiao, een voormalig postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Jones, waren in 2019 niet op zoek naar goud-32, maar merkten het op tijdens massaspectrometriemetingen. De ontdekking van koolstof-60-buckyballs gebeurde op een vergelijkbare manier. En daar houden de toevalligheden niet op. Jones is de Norman en Gene Hackerman assistent-professor in de chemie bij Rice. Smalley, die in 1996 de Nobelprijs voor de Scheikunde deelde met Robert Curl van Rice en Harold Kroto uit Groot-Brittannië, was vóór zijn dood in 2005 jarenlang een Hackerman-leerstoel in de scheikunde bij Rice.

Het vergde jaren van inspanning om te bevestigen dat de veelgebruikte zaden goud-32-moleculen waren in plaats van nanodeeltjes, inclusief state-of-the-art beeldvorming door de onderzoeksgroep van Yimo Han bij Rice en gedetailleerde theoretische analyses door de groepen van zowel Rigoberto Hernandez van Johns Hopkins. en Andre Clayborne bij George Mason.

Jones zei dat het onderscheid tussen nanodeeltjes en moleculen belangrijk is en een sleutel tot het begrijpen van de potentiële impact van het onderzoek.

"Nanodeeltjes zijn doorgaans vergelijkbaar qua grootte en vorm, maar ze zijn niet identiek", zei Jones. "Als ik een batch bolvormige gouden nanodeeltjes van 7 nanometer maak, zullen sommige precies 10.000 atomen hebben, maar andere misschien 10.023 of 9.092.

"Moleculen daarentegen zijn perfect", zei hij. "Ik kan een formule voor een molecuul uitschrijven. Ik kan een molecuul tekenen. En als ik een oplossing van moleculen maak, zijn ze allemaal precies hetzelfde wat betreft het aantal, het type en de connectiviteit van hun atomen."

Jones zei dat nanowetenschappers hebben geleerd hoe ze veel nuttige nanodeeltjes kunnen synthetiseren, maar dat vooruitgang vaak met vallen en opstaan ​​tot stand is gekomen omdat "er vrijwel geen mechanistisch begrip bestaat" van hun synthese.

"Het probleem hier is vrij eenvoudig", zei hij. "Het is alsof je zegt:'Ik wil dat je een cake voor me bakt, en ik geef je een bosje witte poeders, maar ik ga je niet vertellen welke dat zijn.' Zelfs als je een recept hebt en niet weet wat de uitgangsmaterialen zijn, is het een nachtmerrie om erachter te komen welke ingrediënten wat doen."

"Ik wil dat de nanowetenschap net zo wordt als de organische chemie, waarin je in principe alles kunt maken wat je wilt, met welke eigenschappen je maar wilt", aldus Jones.

Hij zei dat organische scheikundigen een voortreffelijke controle hebben over materie “omdat scheikundigen vóór hen ongelooflijk gedetailleerd mechanistisch werk deden om alle precieze manieren te begrijpen waarop die reacties werken. We zijn daar heel, heel ver van verwijderd in de nanowetenschap, maar de enige manier waarop we dat kunnen doen We kunnen dit doel nooit bereiken door dit soort werk te doen en mechanisch te begrijpen waar we mee beginnen en hoe de dingen zich vormen."

Meer informatie: Liang Qiao et al., Atomair nauwkeurige nanoclusters zorgen voornamelijk voor de synthese van gouden nanodeeltjes, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40016-3

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door Rice University