Le particelle d'oro su scala nanometrica sono attualmente oggetto di studi intensivi per possibili applicazioni come catalizzatori, sensori, etichette biologiche, dispositivi per la somministrazione di farmaci, mezzi di contrasto biologici e come componenti in fotonica ed elettronica molecolare. Le particelle sono preparate in una soluzione di sali d'oro e i loro nuclei d'oro reattivi possono essere stabilizzati con vari ligandi organici. Particelle particolarmente stabili possono essere sintetizzate utilizzando ligandi organotiolici che hanno una forte interazione chimica con l'oro, producendo composizioni precise nell'intervallo di dimensioni da 1 a 3 nanometri. La modifica dello strato protettivo molecolare è un passaggio chiave in quasi tutte le applicazioni. Mancava una comprensione atomistica strutturale dettagliata dei processi della reazione di scambio.

Ora, professori Chris Ackerson della Colorado State University a Ft. Collins, STATI UNITI D'AMERICA, e Hannu Häkkinen presso il Centro di nanoscienze dell'Università di Jyväskylä, Finlandia, riportano il primo studio strutturale sui processi atomistici di una reazione di scambio ligando di una nanoparticella d'oro ben definita che ha 102 atomi d'oro e 44 siti di ligandi nello strato molecolare. Lo studio è stato pubblicato su Giornale della Società Chimica Americana il 21 luglio 2012 [1]. Il lavoro del prof. Häkkinen è finanziato dall'Accademia di Finlandia e dal prof. Il lavoro di Ackerson è finanziato dalla Colorado State University e dall'American Federation for Ageing Research.

La particella studiata ha formula chimica Au102(p-MBA)44 ed è stata prodotta utilizzando un tiolo idrosolubile (acido para – mercapto benzoico, p-MBA) come molecola stabilizzante. La struttura cristallina a raggi X di questa particella è stata riportata per la prima volta come articolo di copertina di Science nel 2007 dal gruppo di Roger D. Kornberg della Stanford University [2]. Häkkinen ha guidato un team internazionale di ricercatori che ha pubblicato un'analisi teorica di questa e di altre nanoparticelle d'oro stabilizzate con tiolo nel 2008 nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze [3].

Nel nuovo studio, Il gruppo di Ackerson è riuscito a produrre cristalli eterogenei di campioni di particelle di Au102 che avevano subito una reazione di scambio di ligandi in cui i tioli p-MBA nello strato molecolare erano stati parzialmente scambiati con un tiolo simile contenente un atomo di bromo, il cosiddetto para – bromo benzene tiolo (p-BBT), sotto una rapida reazione di 5 minuti. L'analisi dei cristalli eterogenei ha mostrato quali siti di ligandi nello strato superiore hanno maggiori probabilità di essere modificati durante il breve tempo di reazione, cioè., da quali siti inizia il processo di scambio. Sorprendentemente, solo 4 siti su 44 possibilità hanno mostrato occupazione da parte del ligando scambiato (vedi Figura). L'analisi teorica eseguita dal gruppo di Häkkinen ha fornito informazioni sui dettagli atomistici dei possibili meccanismi di reazione. Prove da esperimenti e teorie indicano che la nanoparticella Au102(p-MBA)44 ha uno strato di strato tiolico in cui quasi ogni sito di legante tiolico ha una propria velocità di reazione a causa di una struttura altamente eterogenea dello strato superiore. "La nanoparticella Au102(p-MBA)44 ha una struttura che ricorda una proteina, con un nucleo rigido in oro inorganico analogo alla struttura portante alfa-carbonio di un nucleo proteico e gruppi funzionali chimicamente modificabili nello strato molecolare a bassa simmetria", dice il prof. Ackerson. "Quando le reazioni di scambio di ligandi saranno meglio comprese, speriamo di controllare completamente la funzionalizzazione superficiale dell'Au102 e di simili nanoparticelle d'oro solubili in acqua. Le implicazioni in biologia per una superficie sintetica completamente controllabile delle dimensioni di una proteina sono profonde", dice il prof. Häkkinen.