I ricercatori di A*STAR hanno escogitato un modo per destabilizzare i nanocluster d'oro in modo che formino minuscoli nuclei atomici che poi crescano insieme in proporzioni perfettamente proporzionate, Cristalli di dodecaedro a 12 lati. Questi poliedri unici hanno superfici ricche di energia che possono aumentare l'efficienza catalitica di importanti reazioni chimiche e servire come potenziali siti di adsorbimento per dispositivi sensore mirati.

Tipicamente, i nanocluster d'oro sono preparati riducendo chimicamente un precursore oro-zolfo in presenza di un agente stabilizzante organico. Questa procedura crea un nucleo simmetrico di atomi d'oro protetto da un sottile strato di gruppi superficiali noti come tiolati. I ricercatori hanno sviluppato molte tecniche per variare le dimensioni dei nanocluster e regolarne le proprietà chimiche e fisiche. Ma la destabilizzazione dei legami oro-tiolato per consentire ulteriori trasformazioni in cristalli poliedrici si è rivelata più impegnativa.

Per affrontare questo problema, un team interdisciplinare guidato da Yong-Wei Zhang dell'Institute of High Performance Computing e Ming-Yong Han dell'Institute of Materials Research and Engineering presso A*STAR di Singapore ha studiato le strategie per destabilizzare gli ammassi d'oro ossidando i tiolati che proteggono la superficie. Pur promettendo, questo approccio ha i suoi rischi:precedenti tentativi che utilizzano agenti di destabilizzazione dell'ozono hanno prodotto un'aggregazione incontrollata di atomi d'oro in precipitati macroscopici.

I ricercatori hanno esaminato se il passaggio a un agente di destabilizzazione del perossido di idrogeno più mite avrebbe dato risultati più favorevoli. Per prima cosa hanno sintetizzato una soluzione di cluster d'oro a 25 atomi stabilizzati da strati esterni di albumina di siero bovino (BSA). Quando il perossido di idrogeno è stato aggiunto alla miscela, gli strumenti di spettrometria di massa del team hanno mostrato che i legami covalenti oro-zolfo si rompevano lentamente.

Questa destabilizzazione a base di perossido inizialmente ha prodotto cluster d'oro di 11 atomi più piccoli. Ma dopo essere rimasto seduto per quasi una settimana a temperatura ambiente, questi ammassi si trasformarono in notevoli forme di dodecaedro (vedi immagine).

La microscopia elettronica a scansione ad alta risoluzione ha rivelato che ogni sfaccettatura del dodecaedro aveva orientamenti cristallografici identici, una rara distribuzione di atomi d'oro nota come sfaccettatura [110]. I calcoli della teoria del funzionale della densità avviati dal coautore Guijian Guan hanno mostrato che queste strutture insolite si verificano quando gli amminoacidi liberati dalla BSA durante la reazione di destabilizzazione si attaccano alle nanoparticelle e promuovono la crescita in ogni direzione del cristallo tranne l'orientamento [110].

Guan spiega che poiché le [110] sfaccettature hanno le energie superficiali più elevate tra le sfaccettature standard dell'oro, presentano forti forze attrattive per le molecole in arrivo, un fenomeno che migliora la capacità catalitica a causa di una maggiore affinità di legame con le molecole bersaglio. "Per esempio, abbiamo osservato un aumento di quattro volte della capacità catalitica per i nostri dodecaedri rispetto alle nanoparticelle d'oro durante la riduzione del 4-nitrofenolo a 4-amminofenolo, " fa notare.