Viene mostrata la struttura cristallografica a raggi X della nanoparticella d'oro. Atomi d'oro =magenta; atomi di zolfo =giallo; atomi di carbonio =grigio; atomi di idrogeno =bianco. Credito:Carnegie Mellon University
Il nostro mondo è pieno di schemi, dalla torsione di una molecola di DNA alla spirale della Via Lattea. Una nuova ricerca dei chimici della Carnegie Mellon ha rivelato che minuscoli, le nanoparticelle d'oro sintetiche mostrano alcuni dei modelli più intricati della natura.
Svelare il caleidoscopio di questi modelli è stato un compito titanico, e segna la prima volta che una nanoparticella di queste dimensioni è stata cristallizzata e la sua struttura è stata mappata atomo per atomo. I ricercatori riportano il loro lavoro nel numero del 20 marzo di Progressi scientifici .
"Mentre pensi in generale a diverse aree di ricerca o persino alla nostra vita quotidiana, questo tipo di modelli, questi schemi gerarchici, sono universali, " disse Rongchao Jin, professore associato di chimica. "Il nostro universo è davvero bello e quando vedi questo tipo di informazioni in qualcosa di piccolo come una nanoparticella da 133 atomi e grande come la Via Lattea, è davvero incredibile."
Nanoparticelle d'oro, che può variare di dimensione da 1 a 100 nanometri, sono una tecnologia promettente che ha applicazioni in una vasta gamma di campi tra cui catalisi, elettronica, scienza dei materiali e sanità. Ma, al fine di utilizzare nanoparticelle d'oro in applicazioni pratiche, gli scienziati devono prima capire la struttura delle minuscole particelle.
"La struttura determina essenzialmente le proprietà della particella, quindi senza conoscere la struttura, non saresti in grado di comprendere le proprietà e non saresti in grado di funzionalizzarle per applicazioni specifiche, " disse Jin, un esperto nella creazione di nanoparticelle d'oro atomicamente precise.
Con quest'ultima ricerca, Jin e i suoi colleghi, compreso lo studente laureato Chenjie Zeng, hanno risolto la struttura di una nanoparticella, Au133, composto da 133 atomi d'oro e 52 molecole che proteggono la superficie, la più grande struttura di nanoparticelle mai risolta con la cristallografia a raggi X. Mentre la microscopia può rivelare le dimensioni, forma e il reticolo atomico delle nanoparticelle, non può discernere la struttura superficiale. La cristallografia a raggi X può, mappando la posizione di ogni atomo sulla superficie delle nanoparticelle e mostrando come si legano al nucleo d'oro. Conoscere la struttura superficiale è fondamentale per utilizzare le nanoparticelle per applicazioni pratiche, come la catalisi, e per scoprire la scienza fondamentale, come la base della stabilità della particella.
Le molecole di superficie che proteggono il nucleo d'oro della nanoparticella includono code di carbonio che si autoassemblano in quattro vortici che ricordano il vortice della nostra galassia. Credito:Carnegie Mellon University
La struttura cristallina della nanoparticella Au133 ha rivelato molti segreti.
"Con la cristallografia a raggi X, abbiamo potuto vedere modelli molto belli, che è stata una scoperta molto eccitante. Questi modelli vengono visualizzati solo quando la dimensione delle nanoparticelle diventa abbastanza grande, " disse Jin.
Durante la produzione, le particelle Au133 si autoassemblano in tre strati all'interno di ciascuna particella:il nucleo d'oro, le molecole di superficie che lo proteggono e l'interfaccia tra i due. Nella struttura cristallina, Zeng ha scoperto che il nucleo d'oro ha la forma di un icosaedro. All'interfaccia tra il nucleo e le molecole che proteggono la superficie c'è uno strato di atomi di zolfo che si legano agli atomi d'oro. Le combinazioni zolfo-oro-zolfo si accumulano in strutture elicoidali simili a scale. Finalmente, attaccato alle molecole di zolfo c'è uno strato esterno di molecole che proteggono la superficie le cui code di carbonio si autoassemblano in quattro vortici.
"Le caratteristiche elicoidali ci ricordano una doppia elica del DNA e la disposizione rotante delle code di carbonio ricorda il modo in cui è organizzata la nostra galassia. È davvero sorprendente, " disse Jin.
Questi particolari modelli sono responsabili dell'elevata stabilità di Au133 rispetto ad altre dimensioni di nanoparticelle d'oro. I ricercatori hanno anche testato le proprietà ottiche ed elettroniche di Au133 e hanno scoperto che queste nanoparticelle d'oro non sono metalliche. Normalmente, l'oro è uno dei migliori conduttori di corrente elettrica, ma la dimensione di Au133 è così piccola che la particella non è ancora diventata metallica. Il gruppo di Jin sta attualmente testando le nanoparticelle per l'uso come catalizzatori, sostanze che possono aumentare la velocità di una reazione chimica.
