Fino a venticinque anni fa, i chimici consideravano l'oro uno degli elementi metallici più inerti, fino a quando la scoperta che le dispersioni di oro su scala nanometrica avevano un'elevata attività catalitica ha costretto a ripensare ai vecchi principi. I ricercatori hanno presto scoperto che le nanoparticelle d'oro potrebbero promuovere molte reazioni importanti dal punto di vista industriale, come la rimozione del monossido di carbonio nocivo dai flussi di emissione. Sebbene i vantaggi dell'oro su scala nanometrica siano ben attestati, preparare il materiale in una forma durevole e riutilizzabile rimane una sfida significativa che ne limita l'adozione da parte dei produttori.

Il lavoro dei team di Ming-Yong Han dell'Institute of Materials Research and Engineering e Yong-Wei Zhang dell'Institute of High Performance Computing entrambi presso A*STAR ha rivelato che la stabilità dei catalizzatori di nanoparticelle d'oro può essere migliorata rivestendoli con strati protettivi di titanio (TiO2). Concepito dal co-autore Zhi Wei Seh, uno studioso di scienze nazionali A * STAR, questa nuova tecnica produce le cosiddette nanostrutture Janus che trattengono quasi tutta l'attività catalitica delle nanoparticelle d'oro nude senza soffrire di aggregazioni irreversibili che diminuiscono la reattività di queste ultime.

Prende il nome dal dio romano bifronte degli inizi e delle transizioni, Le nanostrutture Janus uniscono due o più componenti di uguali dimensioni attraverso giunzioni molto piccole, una disposizione che massimizza l'area superficiale attiva di ciascuna sostanza. Gli effetti benefici dell'accoppiamento delle nanoparticelle d'oro con il titanio sono ben noti, ma fino al lavoro dei ricercatori A*STAR, una comprensione dettagliata del meccanismo con cui queste due specie si fondono insieme si era rivelata elusiva.

Han e collaboratori hanno utilizzato un composto chelante non convenzionale chiamato diisopropossido di titanio bis(acetilacetonato) per nucleare la crescita di TiO2 sull'oro a velocità estremamente lente. Controllando attentamente l'aggiunta di questo reagente a nanoparticelle d'oro a forma di bastoncino e sferico, i ricercatori hanno osservato tre nanostrutture distinte (vedi immagine):una geometria Janus; una geometria “eccentrica” parzialmente incapsulante; e una disposizione core-shell "concentrica".

Gli esperimenti catalitici hanno rivelato che la reattività e la durata delle strutture di Janus in oro-titania presentano vantaggi unici rispetto ad altre nanoparticelle. A causa della natura esposta delle loro superfici dorate, i primi catalizzano la riduzione della molecola 4-nitrofenolo a velocità molto più elevate rispetto alle nanoparticelle eccentriche e concentriche le cui superfici d'oro sono più confinate. Per di più, il rivestimento protettivo di TiO2 dei catalizzatori ibridi ha permesso loro di essere riutilizzati ripetutamente con poca perdita di attività. In contrasto, nanoparticelle di oro nudo si sono agglomerate in grumi non reattivi dopo soli cinque cicli di utilizzo.

Ulteriori indagini teoriche del team hanno rivelato che la formazione di nanostrutture Janus come specie energeticamente stabile è promossa dall'aggiunta di volumi più piccoli del precursore di titania, una scoperta che potrebbe aiutare i ricercatori a generare altri ibridi metallo-ossido per applicazioni catalitiche nel prossimo futuro. futuro.